液氦杜瓦瓶裝置計(jì)量學(xué) 全金屬化4.2K至1.3K

采用低溫超導(dǎo)技術(shù)是某些計(jì)量學(xué)實(shí)踐中的發(fā)展方向。例如在光頻測(cè)量鏈中，如以超導(dǎo)腔穩(wěn)頻振蕩器(SC SO) 作為微波頻率源， 其短時(shí)頻率穩(wěn)定度可達(dá)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(guò)減壓降溫過(guò)程獲得1.3K的溫度(腔溫可能比液氨高0.04K)；這時(shí)腔的有載0值高達(dá)1×1010[1]，1.3K溫度要求、穩(wěn)定地保持。又如把精密加工的鈮截止波導(dǎo)置于真空樣品室中，可以制成*消除了衰減常數(shù)計(jì)算式中電導(dǎo)修正項(xiàng)的一級(jí)衰減標(biāo)準(zhǔn)，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(dá)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)所應(yīng)首先解決的問(wèn)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(jì)量學(xué)全金屬化液氦杜瓦瓶裝置，簡(jiǎn)要報(bào)導(dǎo)其設(shè)計(jì)過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果。
1.減壓降溫考慮及模擬試驗(yàn)
本裝置設(shè)計(jì)為4.2K及減壓降溫兩用。在瓶頸處有4個(gè)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(wèn)題是怎樣設(shè)計(jì)內(nèi)膽(也叫內(nèi)筒)的容積。
文獻(xiàn)〔3]介紹過(guò)一種方法：把液池區(qū)分為內(nèi)、外兩個(gè)結(jié)構(gòu)，樣品室浸于內(nèi)液池中，減壓降溫只對(duì)內(nèi)液池進(jìn)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(shí)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(bǔ)充液氨的消耗，每隔幾小時(shí)就需打開(kāi)內(nèi)、外液池間的閥門(mén)，結(jié)果造成液氦的溫度總在4.2K與1.3K之間波動(dòng)。這是用于計(jì)量學(xué)試驗(yàn)室的液氦杜瓦瓶裝置不允許的。因此我們采用直接對(duì)內(nèi)膽減壓降溫的方案。問(wèn)題是減壓降溫力真空表到1.3K要消耗多少液氨?文獻(xiàn)〔43認(rèn)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(gè)數(shù)據(jù)需要檢驗(yàn)，因此我們進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置
如圖1。'
試驗(yàn)用玻璃杜瓦瓶進(jìn)行，內(nèi)膽直徑150mm，容積15l。啟動(dòng)真空泵前液氨液面高547mm，模擬試驗(yàn)裝置。壓力表0Torr。啟動(dòng)真空泵， 打開(kāi)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(shí)又并聯(lián)一臺(tái)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(shuō)明液氨抽走原體積的40.8%。這個(gè)結(jié)果與文獻(xiàn)[3]中給出的曲線(xiàn)相符。因此，確定本杜瓦裝置的**液氮注入量為60l，要求自然蒸發(fā)率不大于0.4l/h，48小時(shí)的蒸發(fā)消耗不大于20l。這些設(shè)計(jì)指標(biāo)均已達(dá)到。
2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述
杜瓦瓶的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。內(nèi)筒的設(shè)計(jì)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(jiǎn)稱(chēng)“哈管”)，它是一種鎳基合金無(wú)縫管，內(nèi)徑209.8mm，壁厚0.5mm，表面經(jīng)過(guò)拋光。據(jù)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)度og=60~110kg²，硬度Hg=187~219kg³，延伸率為0.2。把它裝在液氦杜瓦瓶?jī)?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(wú)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(kuò)大為350mm，目的是增加液氦儲(chǔ)量。結(jié)果，d209.8的上段和下段，每厘米高度儲(chǔ)液0.343升；中350的中段，每厘米高度儲(chǔ)液6.962升。內(nèi)筒總儲(chǔ)量超過(guò)60升。為了延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)工作時(shí)間， 必須努力降低平均蒸發(fā)率。美國(guó)Stanford大學(xué)的同類(lèi)裝置達(dá)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(qiáng)P<1×10-Torr， 并安排了20層鋁箔(厚