CN109030232A - 中子散射低温拉伸杜瓦 - Google Patents

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刘聪
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周又和
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Abstract

本发明公开了一种中子散射低温拉伸杜瓦，无磁外壳上设有抽真空接口和真空阀，所述无磁外壳内设有冷屏，所述冷屏内设有相对设置的两个无氧铜夹头；闭循环GM制冷机的一级冷头与铜冷屏相连，闭循环GM制冷机的二级冷头与夹头通过软铜编带相连，冷屏上设有圆形开口允许中子束进入到样品上，二级冷头处有温度计和加热器；夹头一端通过G10玻璃钢棒与力传感器相连，然后通过加载杆与高精度加载步进电机相连；无磁外壳前表面和后表面均设有铝窗。本发明中子散射低温拉伸杜瓦，可以使样品在低温环境下保持加载状态，此外该***可以嵌入到中子束流中，其特有的窗口允许中子束流照射在样品上，实现低温环境下加载样品内部的应变，应力的实时测量。

Description

中子散射低温拉伸杜瓦
技术领域
本发明属于低温环境下加载样品内部的应变，应力实时测量技术领域，特别涉及一种中子散射低温拉伸杜瓦。
背景技术
本发明的背景技术主要有两方面，一是低温环境下材料的拉伸变形加载技术，第二是常温下中子衍射测量材料内部的变形技术。
对于低温环境下材料的变形加载技术(见图1)，目前主要是采用低温液氮，液氦等冷却剂对样品进行浸泡，以热传导的方式对样品进行冷却。夹头加持样品并通过试验机进行拉伸加载。主要的缺点是，样品的环境温度单一，样品温度与冷却剂的温度相同不方便调节，难于研究不同温度下以及变温环境下材料的力学性能；样品的变形只能通过引伸计测量宏观变形或者通过表面粘贴低温应变片的方式测量局部的表面应变，样品内部的应变状态无法测得。
对于中子衍射技术(见图2)，主要原理是来自中子源的中子束流直接照射在样品上，此时材料的布拉格衍射峰的位置反映材料内部的晶格间距，通过测量材料内部晶格间距的改变可以得到材料的内部变形和应力状态，缺点是该技术目前主要用于常温环境中的样品内部变形测量，国内尚无采用该技术测量低温状态下的尤其是低温加载状态下样品内部的应变和应力状态。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种中子散射低温拉伸杜瓦，包括GM制冷机，无磁外壳，导杆，步进加载电机，加载杆，力传感器，波纹管，G10玻璃钢连接杆，无氧铜夹头，冷屏，无氧铜编带，真空阀；所述无磁外壳上设有抽真空接口和真空阀，所述无磁外壳内设有冷屏，所述冷屏内设有相对设置的两个无氧铜夹头；闭循环GM制冷机的一级冷头与铜冷屏相连，闭循环GM制冷机的二级冷头与夹头通过软铜编带相连，冷屏上设有圆形开口允许中子束进入到样品上，二级冷头处有温度计和加热器，通过加热器加热功率和制冷机的二级冷头制冷功率的平衡最终实现对样品的精确控温；夹头一端通过G10玻璃钢棒与力传感器相连，然后通过加载杆与高精度加载步进电机相连；无磁外壳前表面和后表面均设有铝窗，中子束流从机壳前表面铝窗穿入经冷屏处圆形开口进入到样品内部，发生衍射后离开样品，然后经过冷屏后表面开口，最后通过机壳后表面铝窗进入到中子束流采集装置，用于衍射峰位置的分析，最终实时地获得样品在不同温度、不同变形状态下样品内部的应变、应力状态。
优选地，所述力传感器与外部采集卡相连。
本发明设计一套闭循环的低温加载杜瓦***，该***可以使样品在低温环境下保持加载状态，此外该***可以嵌入到中子束流中，其特有的窗口允许中子束流照射在样品上，实现低温环境下加载样品内部的应变，应力的实时测量。
超导材料，以及其他用于低温的金属材料通常服役于77K液氮甚至4.2K液氦的及低温冷却介质中，在低温介质中由于这些材料通常除了受巨大的热变形外，还可能受到外加荷载从而产生拉伸，压缩，弯曲，扭转等变形。材料变形过大将引起改材料在低温环境下的功能退化甚至失效，将降低材料的使用寿命，给相应结构或装置带来巨大的安全隐患。因此，通过本发明，可实现了极低温环境下实时获得处于加载状态下的样品内部应变、应力状态，以研究材料在低温下的力学性能，对材料在复杂极端环境中的力学变形表征提供了新的实现技术手段，这将为大型结构的原位，实时地微观变形表征奠定了基础。
附图说明
图1是现有技术的浸泡冷却式低温加载装置的结构示意图。
图2是现有技术的中子束衍射原理图。
图3是本发明中子散射低温拉伸杜瓦的结构示意图。
图4是本发明GM制冷机连接的结构示意图。
图5本发明中子散射低温拉伸杜瓦力传递部分的结构示意图。
图6是本发明结合中子束衍射工作原理图。
图1中，21.夹头，22.可移动横梁，23.加载样品，24.杜瓦，25.液体冷冻剂。
图3中，1.GM制冷机，2.无磁外壳，3.导杆，4.步进加载电机，5.加载杆，6.力传感器，7.波纹管，8.G10玻璃钢连接杆，9.样品，10.无氧铜夹头，11.冷屏，12.无氧铜编带，13.真空阀。
图4中，31.二级冷头，32.无氧铜编带，33.一级冷头，11.冷屏。
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明技术方案。
如图1-6所示，本发明公开了一种中子散射低温拉伸杜瓦，包括GM制冷机1，无磁外壳2，导杆3，步进加载电机4，加载杆5，力传感器6，波纹管7，G10玻璃钢连接杆8，无氧铜夹头10，冷屏11，.无氧铜编带12，真空阀13。
技术方案：
(1)无磁外壳即机壳采用抽真空密封设计，含有抽真空接口和真空阀；
(2)闭循环GM制冷机的一级冷头与铜冷屏相连，对冷屏降温至35K，降低热辐射。冷屏上还有圆形开口允许中子束进入到样品上，闭循环GM制冷机的二级冷头与夹头通过软铜编带相连，对样品通过接触热传导方式进行降温，二级冷头处有温度计和加热器，通过加热器加热功率和制冷机的二级冷头制冷功率的平衡最终实现对样品的精确控温(10K-300K)，如图4所示。
(3)夹头一端通过G10玻璃钢棒(效防止外界热量导入)与力传感器相连，然后与高精度加载步进电机相连，G10玻璃钢棒除传递荷载外有效防止外界热量导入。加载时力荷载可通过传感器实时读出，最终通过外部采集卡实时采集，如图5所示。
(4)样品经过冷却后，通过步进电机进行加载。此时整体装置置于中子束流中，中子束流从机壳前表面铝窗穿入经冷屏处圆形开口进入到样品内部，发生衍射后离开样品，然后经过冷屏后表面开口，最后通过机壳后表面铝窗进入到中子束流采集装置，用于衍射峰位置的分析，最终实时地获得样品在不同温度、不同变形状态下样品内部的应变、应力状态，中子束流穿透如图6所示。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种中子散射低温拉伸杜瓦，其特征在于，包括GM制冷机，无磁外壳，导杆，步进加载电机，加载杆，力传感器，波纹管，G10玻璃钢连接杆，无氧铜夹头，冷屏，无氧铜编带，真空阀；所述无磁外壳上设有抽真空接口和真空阀，所述无磁外壳内设有冷屏，所述冷屏内设有相对设置的两个无氧铜夹头；闭循环GM制冷机的一级冷头与铜冷屏相连，闭循环GM制冷机的二级冷头与夹头通过软铜编带相连，冷屏上设有圆形开口允许中子束进入到样品上，二级冷头处有温度计和加热器，通过加热器加热功率和制冷机的二级冷头制冷功率的平衡最终实现对样品的精确控温；夹头一端通过G10玻璃钢棒与力传感器相连，然后通过加载杆与高精度加载步进电机相连；无磁外壳前表面和后表面均设有铝窗，中子束流从机壳前表面铝窗穿入经冷屏处圆形开口进入到样品内部，发生衍射后离开样品，然后经过冷屏后表面开口，最后通过机壳后表面铝窗进入到中子束流采集装置，用于衍射峰位置的分析，最终实时地获得样品在不同温度、不同变形状态下样品内部的应变、应力状态。
2.根据权利要求1所述的中子散射低温拉伸杜瓦装置，其特征在于，所述力传感器与外部采集卡相连。
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