計量學專用全金屬化4.2K至1.3K液氦杜瓦瓶裝置

采用低溫超導技術(shù)是某些計量學實踐中的發(fā)展方向。例如在光頻測量鏈中，如以超導腔穩(wěn)頻振蕩器(SC SO) 作為微波頻率源， 其短時頻率穩(wěn)定度可達1×10-13/10s， 這就需要將精密加工的鈮腔置于真空的樣品室中，而樣品室則浸泡在液氨里，通過減壓降溫過程獲得1.3K的溫度(腔溫可能比液氨高0.04K)；這時腔的有載0值高達1×1010[1]，1.3K溫度要求長久、穩(wěn)定地保持。又如把精密加工的鈮截止波導置于真空樣品室中，可以制成完全消除了衰減常數(shù)計算式中電導修正項的一級衰減標準，只要把溫度降低到1.5K以下并保持之，衰減精確度有可能達到或優(yōu)于1×10-5221。這些例子表明，如何在樣品室較大的條件下獲得超低溫，乃是建立深冷條件下的計量標準所應(yīng)首先解決的問題。本文就已制成的能容納較大樣品室、能獲得4.2K至1.3K間任意溫度、能連續(xù)使用幾晝夜的計量學專用全金屬化液氦杜瓦瓶裝置，簡要報導其設(shè)計過程及試驗結(jié)果。
1.減壓降溫考慮及模擬試驗
本裝置設(shè)計為4.2K及減壓降溫兩用。在瓶頸處有4個中40mm的氨氣回氣口(4.2K使用)，或叫減壓降溫抽口(1.5或1.3K使用)。現(xiàn)在的問題是怎樣設(shè)計內(nèi)膽(也叫內(nèi)筒)的容積。
文獻〔3]介紹過一種方法：把液池區(qū)分為內(nèi)、外兩個結(jié)構(gòu)，樣品室浸于內(nèi)液池中，減壓降溫只對內(nèi)液池進行，外液池總保持4.2K。此法可節(jié)省液氨，但只適合于連續(xù)工作幾小時的裝置，而不適合于連續(xù)工作幾晝夜的裝置。在后一情況下，為了補充液氨的消耗，每隔幾小時就需打開內(nèi)、外液池間的閥門，結(jié)果造成液氦的溫度總在4.2K與1.3K之間波動。這是用于計量學試驗室的專用液氦杜瓦瓶裝置絕對不允許的。因此我們采用直接對內(nèi)膽減壓降溫的方案。問題是減壓降溫力真空表到1.3K要消耗多少液氨?文獻〔43認為：4.2K降溫到1.5K，液氨存留量為原有體積的火子千57%。這個數(shù)據(jù)需要檢驗，因此我們進行了模擬試驗，試驗裝置
如圖1。'
試驗用玻璃杜瓦瓶進行，內(nèi)膽直徑150mm，容積15l。啟動真空泵前液氨液面高547mm，模擬試驗裝置。壓力表0Torr。啟動真空泵， 打開夾子， 液氦冒泡甚急， 壓力表針慢慢左移； 抽氣70分鐘后， 液面高407mm， 壓力表700Torr。這時又并聯(lián)一臺2X-8真空泵， 兩泵共同減壓。抽氣100分鐘后， 液面高395mm， 壓力表720Torr。由此可求出Ap=760-720=40Torr，查表得T=2，19K；現(xiàn)高度降低152mm，說明液氨抽走原體積的40.8%。這個結(jié)果與文獻[3]中給出的曲線相符。因此，確定本專用杜瓦裝置的最大液氮注入量為60l，要求自然蒸發(fā)率不大于0.4l/h，48小時的蒸發(fā)消耗不大于20l。這些設(shè)計指標均已達到。
2.結(jié)構(gòu)設(shè)計簡述
杜瓦瓶的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。內(nèi)筒的設(shè)計十分重要。大于200mm的直徑，保證可以放人較大的樣品室。我們選用了有色金屬研究院特殊制造的“哈斯特羅管”(簡稱“哈管”)，它是一種鎳基合金無縫管，內(nèi)徑209.8mm，壁厚0.5mm，表面經(jīng)過拋光。據(jù)實驗，強度og=60~110kg²，硬度Hg=187~219kg³，延伸率為0.2。把它裝在液氦杜瓦瓶內(nèi)筒上部，效果很好，它引起的固體傳熱甚小。內(nèi)筒的中段和下段是用無磁不銹鋼板(厚1mm)卷焊而成。下段的直徑與哈管相同。中段的直徑擴大為350mm，目的是增加液氦儲量。結(jié)果，d209.8的上段和下段，每厘米高度儲液0.343升；中350的中段，每厘米高度儲液6.962升。內(nèi)筒總儲量超過60升。為了延長實驗工作時間， 必須努力降低平均蒸發(fā)率。美國Stanford大學的同類裝置達到了0.16l/h*1，這也是我們的努力方向。為改善絕熱采取了下列措施：
(1)內(nèi)筒上段
壁薄，減小固體傳熱；
(2) 真空夾層要求壓強P<1×10-Torr， 并安排了20層鋁箔(厚