深冷环境
深冷环境,也被称为深度冷冻或深度低温,是科学和技术领域中一个重要的概念。它通常指的是温度远低于常规冷冻(如冰箱、空调所能达到的温度)的环境,特别是在-153°C(即120K)以下的温度范围。在科学研究、航天、能源、工业制造和医学医疗等领域有着广泛的应用。
在精密重力测量国家重大基础设施(PGMF)的建设中,为了保障超导重力梯度集成装置的成功研制,本单位配套建设了能够提供深冷环境的液氮(77K)/液氦(4.2K)供应系统、用于重复利用氦气的液化回收系统以及用于低温试验的杜瓦以及与低温相关的测试设备。其中液氮供应系统可以为超导重力仪器提供初步的降温,减少对液氦的消耗;可以为氦气液化系统提供实时的降温,从而提高氦液化系统的工作效率。氦作为一种战略资源,价格昂贵,对氦进行重复利用能极大地降低研发费用,这也是建设氦气回收系统的主要原因。低温试验杜瓦作为液氮、液氦的容器,配合真空腔的作用能够长时间地维持一个恒定的低温环境。与低温相关的测试设备可以保障超导重力仪器标定因子与噪声水平测试、温度与磁场调制、垂向与水平自由度振动激励以及磁场屏蔽与温度稳定控制实验等的顺利开展;可以对低温热导系数、电阻率、磁化率以及超导材料的临界温度、上下临界场等参数进行测量。
据利用深冷环境层次不同,本手册将深冷环境能够提供的服务分为三部分:
1. 提供用于保障低温环境的液氦(77K)和液氮(4.2K),及液氦储存过程中产生的高纯氦气(≥99.9999%);
2. 利用杜瓦提供一个恒定的低温实验平台77K或4.2K。其中液氦温区下温度涨落<0.5mK@15d,温度漂移率<1mK@24h,液氦净容积30L,液氦静态≤0.6L/h;另有一套用于磁场测量的无磁杜瓦,材质为玻璃钢,液氦容积40L,液氦静态≤0.57L/h。
3. 为用户提供深冷环境下的测试服务
a) 磁场测量分辨率:0.1nT,量程:0.1nT-2mT;
b) 温度测量分辨率:1mK,量程:1K-400K;
c) 在磁场范围±9T,温度范围1.8-400K的条件下测量样品的磁学、电学、热学、形貌等各种物性特征。
磁强计与杜瓦联合使用案例
下图是用磁强计在液氦低温下测量的坡莫合金+超导铌筒的磁屏蔽因子
坡莫合金+超导铌筒的磁屏蔽因子测量