低温物理与技术-第5章 低温恒温器.ppt

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1、第五章低温恒温器(cryostat)利用低温液体或其它方法使样品处在恒定的,或按所需方式变化的低温温度下,并能对样品进行一种或多种物理量测量的装置。低温恒温器是实验杜瓦容器和容器内部装置的总称，广泛应用于低温下的热物理性质测量、材料在低温下的机械性能与实验、光学物理研究、材料磁热特性测量和超导实验等领域。由于实验目的、精度、温度范围和控温方法的不同，低温恒温器的结构也不尽相同。直接在100升液氦容器中做实验5.1无磁场低温恒温器贮存用杜瓦瓶内的测量装置(4.2K)贮存用杜瓦瓶内的测量装置(温度可调)斯特林循环微型制冷机脉冲

2、管制冷光学测量恒温器带制冷机的低温恒温器1．制冷机马达盖；2．1级和两级气缸；3．1级冷却端；4．2级冷却端；5．样品台；6．样品；7．光学窗口；8．藏在样品内的蒸气压温度计的测量头；9．蒸气压温度计用的毛细管；10．辐射屏蔽板；11．真空容器；12．加热器带制冷机的光学用低温恒温器贮液式低温恒温器连续流动式低温恒温器液氦冷源光学测量恒温器a．液氦传送管；b．液氦杜瓦；C．涡轮泵；d．离子吸气泵；e．空气浮动台；f．超高真空室；g．显微镜；h．连续流式液氦／液氮低温恒温器；i．冷支撑；j．弹簧和电线；k．涡流阻尼；1．夹紧

3、螺钉；m．显微镜；n．内防护屏；o．外防护屏连续流动式低温恒温器一般用途的金属杜瓦瓶（可用于电磁铁）5.2含磁体低温恒温器(1)由于采用化学锭层的方法，可留有缝隙，便于观察瓶子内部的状态，高度能随时掌握。(2)由于导热性小，故液态制冷剂的保存也较好。(3)小型的玻璃杜瓦瓶制造容易，价格也便宜。(4)与金属杜瓦瓶相比同样容积则重量轻得多。(5)其缺点是大型(如园简直径在40厘米以上)的瓶子制造较难，且无法保证精确的尺寸，且杜瓦瓶的内壁也不能做得太薄(一般厚度为1.5、2厘米)。不耐机械冲击，易破碎。热变形(急剧地冷却一加热)

4、或局部冷却等性能较弱。无法保证与金属盖进行较好地连接。玻璃杜瓦瓶(1)机械性能坚固，热变形性能良好。即使施加较大的外力，也只是产生形变，不耐用的情况极少见。(2)杜瓦瓶的壁可做得很薄(甚至可薄到0.5毫米以下)。这对用于插入到中等程度磁极间隙的实验来讲是极有利的。(3)可以进行精密的设计制造。(4)不受尺寸的限制。(5)其缺点是不能目测内部情况。同时价格也较责(一般为普通玻璃杜瓦瓶三倍以上)，由于采用较厚的法兰盘，因而重量较重，如不使用专用工具进行焊接，则容易引起真空泄漏。金属杜瓦瓶插入电磁铁间隙内的玻璃杜瓦瓶强磁场中的低

5、温恒温器带尾巴的高真空绝热金属杜瓦试样绝热时所使用的金属杜瓦瓶a．支撑板；b．杜瓦；C．交换气罐；d．辐射屏；e．液氦；f．显微镜；g．钟摆；h．振动隔离；i．超高真空室Eigler贮液式低温恒温器热导率测量装置电阻测量装置热导率测量装置电阻测量装置高真空绝热玻璃杜瓦(可看到液面)降低液氦消耗量的方法杜瓦剖面图5.3PPMS低温恒温器PPMSINSERT低温恒温器的设计设计低温恒温器时，是根据具体要求来选择合理的结构、传感元件和合适的控温方法。在设计低温恒温器时，首先要明确该恒温器的温度范围；其次是绝热条件。一般低温恒温器

6、有以下几个性能指标：工作温度、制冷功率、工作寿命(连续工作时间)、重量和尺寸、试样尺寸等。—般讲，在设计低温恒温器时，首先要对下列因素进行研究确定：(1)在液体浸泡型低温恒温器中，当进行性能测定时另外是否还有其他温度范围的要求；(2)在指定的温度范围内，保持该温度所必需的时间以及温度控制的精度等级；(3)试样周围是否必须进行绝热，或为了传热把低温气体充到试样的周围以达到温度均匀的情况。(4)为了达到测定的目的，对试样需要采取什么措施?如何安装?例如电流、电压的引线及测量。测定机械性能所需既文掸及可动部分。红外线、可见光线、

7、射线及粒子射线的射入口设置等问题。(5)温度测定中，为了进行控制，采用何种类型的温度计及数量。(6)为了加入磁场，电磁铁两极间的距离和超导线圈的内径尺寸都必须预先确定，它直接限制了低温恒温器的尺寸。由于磁场的变化在恒温器内部的金属中产生涡旋电流它能否破坏绝热，和引起不必要的温度上升。(7)考虑到低温恒温器的强度、尺寸、费用等因素，确定用玻璃制的或是金属制的杜瓦瓶。以上这些因素，应根据各个实验目的进行比较最后确定。低温恒温器设计热计算低温恒温器的设计中，热设计是非常必要的，因为它直接关系到恒温器的使用性能。它主要涉及系统的

8、漏热量计算，包括引线的漏热量、固体支架的传导热、外部环境引入的辐射热和残余气体的导热等。低温恒温器的引线主要包括加热器引线、温度计引线、样品测试信号引线等。由引线传导的总热量计算公式式中为引线两侧温度分别为T1，T2时的平均热导率，w／(m·K)；d、L分别为引线的直径和长度，m、m；n为引线总数。引