CN114909818B - 一种用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置 - Google Patents

一种用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，包括：上无氧铜连接盘；锡箔片组，与所述上无氧铜连接盘连接；下无氧铜中心核绝热去磁台棒，与所述锡箔片组连接；非金属安装筒，与上无氧铜连接盘、下无氧铜中心核绝热去磁台棒连接；控制电磁线圈，与非金属安装筒连接，且围绕设置在所述锡箔片组外；其中，所述控制电磁线圈用于对所述锡箔片组施加磁场，以使所述锡箔片组在低温时的超导状态转变成导体状态。本发明利用了金属锡在极低温情况下，会出现超导现象，然后利用外加磁场来控制金属锡的导体与超导体状态的转换，从而实现了热导分合装置的结合与分开的转换。热导分合装置的结合时，锡箔片组处于导体状态，热传导性能较好。

Description

一种用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置
技术领域
本发明涉及极低温设备技术领域，尤其涉及的是一种用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置。
背景技术
在极端接近绝对零度的微K级别-毫K级别的极低温（接近绝对零度）设备（典型的设备就是核绝热去磁制冷装备）中，传导预冷温度与冷量的分合的装置，作用至关重要。装置的功能就是要在极低温***开始需要预冷时，让预冷源和所要预冷的部件很好地连接上，让冷量传输过去。在被预冷的部件要继续进一步降低温度时，装置能及时断开。在微K级别-毫K级别的温区工作的这种装置，通常是安装在核绝热去磁的无氧铜台棒与稀释制冷机的混合室冷盘之间的。在这么低的温度情况下，普通机械式热分合机构的接触热阻太大，热传导性能太差；而气管式热导分合部件，在如此低的温度条件下，特定气体的热传导特性变坏，也不行。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，旨在解决现有技术中微K级别-毫K级别的极低温下热导分合装置的热传导性能差的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其中，包括：
上无氧铜连接盘；
锡箔片组，与所述上无氧铜连接盘连接；
下无氧铜中心核绝热去磁台棒，与所述锡箔片组连接；
非金属安装筒，与所述上无氧铜连接盘、所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒连接；
控制电磁线圈，与所述非金属安装筒连接，且围绕设置在所述锡箔片组外；
其中，所述控制电磁线圈用于对所述锡箔片组施加磁场，以使所述锡箔片组在低温时的超导状态转变成导体状态。
所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其中，所述用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置还包括：
连接件，与所述上无氧铜连接盘或所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒连接；
非金属隔热靴，套设于所述连接件外；
磁场屏蔽罩，与所述非金属隔热靴连接；
其中，所述控制电磁线圈位于所述磁场屏蔽罩内。
所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其中，所述非金属隔热靴包括：
第一靴体，套设于所述连接件外，且位于所述上无氧铜连接盘和所述磁场屏蔽罩之间，或者位于所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒与所述磁场屏蔽罩之间；
第二靴体，套设于所述连接件外，且位于所述连接件与所述磁场屏蔽罩之间。
所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其中，所述用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置还包括：
非金属支撑杆，两端分别连接在所述上无氧铜连接盘、所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒连接。
所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其中，所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒上设置有温度传感器。
所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其中，所述上无氧铜连接盘用于与稀释制冷机的混合室冷盘连接，所述上无氧铜连接盘上设置有线圈控制开关。
所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其中，所述锡箔片组通过钎焊分别与所述上无氧铜连接盘、所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒连接。
所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其中，所述控制电磁线圈的磁场强度大于或等于309高斯。
所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其中，所述上无氧铜连接盘向侧面延伸，并与所述锡箔片组连接。
所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其中，所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒向侧面延伸，并与所述锡箔片组连接。
有益效果：本发明利用了金属锡在极低温情况下，会出现超导现象，然后利用外加磁场来控制金属锡的导体与超导体状态的转换，从而实现了热导分合装置的结合与分开的转换。热导分合装置的结合时，锡箔片组处于导体状态，热传导性能较好。
附图说明
图1是本发明中用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置的结构示意图。
图2是本发明中用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置的截面图。
图3是本发明中锡箔片组的结构示意图。
图4是本发明中非金属隔热靴的截面图。
图5是本发明中非金属隔热靴的***截面图。
图6是本发明中非金属隔热靴的***图。
附图标记说明：
10、上无氧铜连接盘；11、线圈控制开关；20、锡箔片组；30、下无氧铜中心核绝热去磁台棒；31、温度传感器；40、控制电磁线圈；41、非金属安装筒；50、磁场屏蔽罩；60、非金属隔热靴；61、第一靴体；62、第二靴体；63、连接件；70、非金属支撑杆；80、稀释制冷机的混合室冷盘；90、核绝热去磁***主线圈。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图6，本发明提供了一种用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置的一些实施例。
如图1-图2所示，本发明的一种用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，包括：
上无氧铜连接盘10；
锡箔片组20，与所述上无氧铜连接盘10连接；
下无氧铜中心核绝热去磁台棒30，与所述锡箔片组20连接；
非金属安装筒41，与所述上无氧铜连接盘10、所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒30连接；
控制电磁线圈40，围绕设置在所述锡箔片组20外；
其中，所述控制电磁线圈40用于对所述锡箔片组20施加磁场，以使所述锡箔片组20在低温时的超导状态转变成导体状态。
值得说明的是，当在很低的温度条件下，一些金属如铝、锡、铟等都会出现超导状态。在超导状态时，这些金属导体就失去了正常金属导体传导热量的性能，而对每种金属施加一个，比它的临界磁场强度高的磁场时，这些金属又可恢复金属导体传导热量的特性。本专利正是利用了这些金属的这种特点制成了微K级别-毫K级别温区的热导分合装置。本专利选择的是低温下可出现超导现象的金属锡制的热导分合装置。之所以选中了金属锡，是因为锡与两端的无氧铜盘材料能很容易通过钎焊的方法连接在一起，并且热阻很小；而且锡箔片采用箔片状有利于焊接连接。锡的超导转换温度为2.72K（就是说，在不加磁场的情况下，温度低于2.72K，锡就变成超导材料了），临界磁场的强度为309高斯（如果要让金属锡在温度低于2.72K以下时的超导状态再回到正常导体的状态，外加一个磁场强度大于309高斯的磁场）。本申请锡制分合装置应用于核绝热去磁制冷***时，锡箔片组在微K级别-毫K级别（即低温）时处于超导状态，通过控制电磁线圈对锡箔片组施加磁场，则锡箔片组可以转变成导体状态。热导分合装置的上无氧铜连接盘10与稀释制冷机的混合室的底板是紧紧结合在一起的，当电磁线圈工作时，锡箔片组20处于正常导体状态。于是稀释制冷机提供的制冷量就通过混合室的冷盘，再经过上无氧铜连接盘10和多组锡箔片组20传导到核绝热去磁的中心去磁台棒上。这就是热导分合装置的接通状态。当核绝热去磁达到了需要的预设温度时，断开热导分合装置。于是，电磁线圈停止工作，让锡箔片组20在极低温下处于超导状态，热导分合装置也就断开了，不再起传导冷量的作用了。
需要强调的是，启动控制电磁线圈40对锡箔片组20施加磁场，则锡箔片组20不会处于超导状态，而是处于导体状态，那么即使下无氧铜中心核绝热去磁台棒30的温度低于锡箔片组20的超导转换温度，锡箔片组20仍然可以传递冷量。本发明的微K极别-毫K级别温区的热导分合装置的特点是，没有运动的部件通过移动来实现接通与断开。因此，这种分合装置在极低温的条件下，也就不会带来任何振动或波动。本发明就是利用了金属锡在极低温情况下，会出现超导现象，然后利用外加磁场来控制金属锡的导体与超导体状态的转换，从而实现了热导分合装置的结合与分开的转换。
控制电磁线圈40通过非金属安装筒41与上无氧铜连接盘10、下无氧铜中心核绝热去磁台棒30连接；利用非金属安装筒41无法传导冷量的特点，使得冷量仅通过锡箔片组20传导。
此外，锡的低温超导转态比较容易实现，另外，在低温条件下性能很稳定。同时，锡的熔化温度比较低，可以牢固地与两端的无氧铜材料焊接在一起，并且还不会由于过热引起的无氧铜氧化退火的情况出现。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置还包括：
连接件63，与所述上无氧铜连接盘10或所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒30连接；
非金属隔热靴60，套设于所述连接件63外；
磁场屏蔽罩50，与所述非金属隔热靴60连接；
其中，所述控制电磁线圈40位于所述磁场屏蔽罩50内。
具体地，通过磁场屏蔽罩50的磁场屏蔽作用对磁场屏蔽罩50内的控制电磁线圈40进行屏蔽，确保控制电磁线圈40不会对磁场屏蔽罩50的磁场产生影响。通过控制电磁线圈40的磁场，可以确保锡箔片组20在低温时处于导体状态。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1、图2、图4-图6所示，所述非金属隔热靴60包括：
第一靴体61，套设于所述连接件63外，且位于所述上无氧铜连接盘10和所述磁场屏蔽罩50之间，或者位于所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒30与所述磁场屏蔽罩50之间；
第二靴体62，套设于所述连接件63外，且位于所述连接件63与所述磁场屏蔽罩50之间。
具体地，由于磁场屏蔽罩50通常采用金属材料制成，磁场屏蔽罩50通过非金属隔热靴60与上无氧铜连接盘10、下无氧铜中心核绝热去磁台棒30连接；利用非金属隔热靴60无法传导冷量的特点，使得冷量仅通过锡箔片组20传导，通过对锡箔片组20的超导状态和导体状态的转换，实现分合功能的转换。连接件63与第二靴体62连接，连接件63穿过通孔则可以与上无氧铜连接盘10或下无氧铜中心核绝热去磁台棒30连接，从而将磁场屏蔽罩50固定在上无氧铜连接盘10、下无氧铜中心核绝热去磁台棒30上。连接件63可以采用螺栓、螺钉等起到连接作用的器件，连接件63可以采用金属连接件，确保连接的稳定性。连接件63、上无氧铜连接盘10、下无氧铜中心核绝热去磁台棒30均不与屏蔽罩直接接触，确保不会出现冷量传导。
第一靴体61套设于连接件63外，且第一靴体61的两侧分别与上无氧铜连接盘10和磁场屏蔽罩50接触，或者分别与下无氧铜中心核绝热去磁台棒30和磁场屏蔽罩50接触，从而使得上无氧铜连接盘10和磁场屏蔽罩50无直接接触，且下无氧铜中心核绝热去磁台棒30和磁场屏蔽罩50无直接接触，不会出现冷量传导。
第二靴体62套设于连接件63外，且位于连接件63与磁场屏蔽罩50之间，确保连接件63与磁场屏蔽罩50之间无直接接触，不会出现冷量传导。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图3所示，所述用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置还包括：
非金属支撑杆70，两端分别连接在所述上无氧铜连接盘10、所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒30连接。
具体地，为了提高上无氧铜连接盘10和下无氧铜中心核绝热去磁台棒30连接强度，实现刚性连接，确保锡箔片组20不会变形。在无氧铜连接盘和下无氧铜中心核绝热去磁台棒30之间设置非金属支撑杆70，通过非金属支撑杆70支撑上无氧铜连接盘10。
非金属支撑杆70可以有两个或多个，采用多个非金属支撑杆70时，多个非金属支撑杆70采用均匀分布的方式围绕在锡箔片组20外。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图3所示，所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒30上设置有温度传感器31。
具体地，在下无氧铜中心核绝热去磁台棒30上设置有温度传感器31，可以检测下无氧铜中心核绝热去磁台棒30的温度。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图3所示，所述上无氧铜连接盘10用于与稀释制冷机的混合室冷盘80连接，所述上无氧铜连接盘10上设置有线圈控制开关11。
具体地，上无氧铜连接盘10上设置有线圈控制开关11，可以通过线圈控制开关11开启或关闭控制电磁线圈40。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图3所示，所述上无氧铜连接盘向侧面延伸，并与所述锡箔片组连接；所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒向侧面延伸，并与所述锡箔片组连接。
所述锡箔片组20包括至少一个锡箔片。
具体地，上无氧铜连接盘10向侧面延伸，下无氧铜中心核绝热去磁台棒30向侧面延伸，使得锡箔片组20向侧面凸出，以便控制电磁线圈40围绕。锡箔片组20中锡箔片的数量可以根据需要设置，例如，采用4片锡箔片。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2-图3所示，所述锡箔片组20通过钎焊分别与所述上无氧铜连接盘10、所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒30连接。
具体地，为了确保锡箔片组20与所述上无氧铜连接盘10、所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒30（上无氧铜连接盘10、下无氧铜中心核绝热去磁台棒30均采用无氧铜材料）之间的热传导性能，采用钎焊的方式连接，牢固地将锡箔片组20与两端的无氧铜材料焊接在一起，不会由于过热引起的无氧铜氧化退火的情况出现。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述控制电磁线圈40的磁场强度大于或等于309高斯。
具体地，当控制电磁线圈40的磁场强度大于或等于309高斯，可以确保金属锡在温度低于2.72K以下时的超导状态再回到正常的导体的状态。
本发明应用到磁体强度为9特斯拉的核绝热去磁的极低温设备中，该热导分合装置的品质特性表现良好，能很好地完成从10mK预冷，到分开后，一直制冷到0.015mK的极端低温的状态。总之，在极端条件下应用于核绝热去磁***中的本发明热导分合装置，工作状态可靠，保证了核绝热去磁***的正常、工作稳定。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其特征在于，包括：
上无氧铜连接盘；
锡箔片组，与所述上无氧铜连接盘连接；
下无氧铜中心核绝热去磁台棒，与所述锡箔片组连接；
非金属安装筒，与所述上无氧铜连接盘、所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒连接；
控制电磁线圈，与所述非金属安装筒连接，且围绕设置在所述锡箔片组外；
其中，所述控制电磁线圈用于对所述锡箔片组施加磁场，以使所述锡箔片组在低温时的超导状态转变成导体状态；
所述用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置还包括：
连接件，与所述上无氧铜连接盘或所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒连接；
非金属隔热靴，套设于所述连接件外；
磁场屏蔽罩，与所述非金属隔热靴连接；
其中，所述控制电磁线圈位于所述磁场屏蔽罩内。
2.根据权利要求1所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其特征在于，所述非金属隔热靴包括：
第一靴体，套设于所述连接件外，且位于所述上无氧铜连接盘和所述磁场屏蔽罩之间，或者位于所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒与所述磁场屏蔽罩之间；
第二靴体，套设于所述连接件外，且位于所述连接件与所述磁场屏蔽罩之间。
3.根据权利要求1所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其特征在于，所述用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置还包括：
非金属支撑杆，两端分别连接在所述上无氧铜连接盘、所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒连接。
4.根据权利要求1所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其特征在于，所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒上设置有温度传感器。
5.根据权利要求1所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其特征在于，所述上无氧铜连接盘用于与稀释制冷机的混合室冷盘连接，所述上无氧铜连接盘上设置有线圈控制开关。
6.根据权利要求1所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其特征在于，所述锡箔片组通过钎焊分别与所述上无氧铜连接盘、所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒连接。
7.根据权利要求1所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其特征在于，所述控制电磁线圈的磁场强度大于或等于309高斯。
8.根据权利要求1所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其特征在于，所述上无氧铜连接盘向侧面延伸，并与所述锡箔片组连接。
9.根据权利要求1所述的用于核绝热去磁制冷***中的锡制分合装置，其特征在于，所述下无氧铜中心核绝热去磁台棒向侧面延伸，并与所述锡箔片组连接。
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