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低温温度计标定系统研究 摘要 低温冷凝泵是中性柬注入器的一个重要组成部分，在装置的降温过程，运 行保温和回温阶段都需要对低温泵液氦、液氮温度进行准确监控，温度的精确 测量直接关系到中性束注入器的现场技术诊断，为此设计了套适用低温温度 计标定系统。 本标定系统一次能标定5 个温度计，待标温度计安装在绝热的悬挂在真空 容器中的恒温块上，恒温块温度是通过低温控温仪里比例积分器调整加热器的 功率来控制的。标定温度计的温度范围是从3 8 k 到3 0 0 k 。 同时对低温温度计标定系统关键部件低温恒温器应用o r i g i n6 1 模拟恒温 块温度场分布：并且对标定系统各组成部分如低温恒温器，低温控温仪，恒流 源进行了性能实验：分析了标定系统标定精度的影响因素，在2 0 k 以下其实验 标定精度为4 5 4 4 lm k ，这达到了设计要求，实验研究说明此标定系统运行可 靠。浚标定系统也同样适用于其他温度计标定。 关键词：低温冷凝泵温度计标定标定精度比照原理 t h es t u d yo fl o wt h e r m o m e t e rc a l i b r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t c r y o c o n d e n s a t i o np u m pi sa ni m p o n a n tc o m p o n e n ti nn e u t r a lb e a mi n j e c t o r d u r i n gt h ec o u r s eo fd o w n i n gt e m p e r a t u r ea n dk e e p i n gt e n l p e r a t u r ea dr e t u r n i n g t e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r es h o u l db ea c c u r a t e l ym o n i t o r e d t e m p e r a t u r em e a s u r e a c c u r a t e i yi sr e l a t e dt o t h en e u t r a lb e a mi 1 1 j e c t i o nt e c h n o i o g yd i a g n o s e s ow e d e v e l o pa na p p l i c a t i v el o wt h e r m o m e t e fc a l i b r a t i o ns y s t e m t h e6 v et h e 珊o m e t e r sc a nb ec a l i b r a t e da tat i m ei nac a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t a l lt h e r m o m e t e r sa r em o u n t e do na ni s o t h e r m a lc o p p e rb l o c kh u n t i n gi nav a c u u m v e s s e la n dt h e r m a 王l yi n s u l 8 t e d t h et e m p e r a t u r ei ss t a b i l i z e db ym e a n so fa p r o p o r t i o n a li n t e g r a lr e g u l a t o ri n1 0 w - t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rw h i c hc o n t r o l s a r e s i s t a n c eh e a t e rm o u n t e di nc o p p e rb l o c k t h et h e r m o m e t e r sa r ec a l i b r a t e dw i t h i n t h et e m p e r a t u r er a n g e3 8kt o3 0 0k t h ec r y o s t a ti sa ni m p o r t a l l tc o m p o n e n ti nc a l i b r a t i o ns y s t e ma p p i i c a t i v ei o w m e r m o m e t e rc a l i b r a t i o n s y s t e m a n ds i m u l a t et h e c o n s t a n t t e m p e r a t u r eb l o c k t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nt h e c r y o s t a tb yt h e s o f t w a r e o fo r i g i n6 1 t h e c a l j b r a t i o n s y s t e mc o n l p o n e n t s o f c r y o s t a t a n dc o n s t a n t c u f r e n t s o u r c ea n d i o w t h e r m o m e t e rc o n t r o l l e rh a v eb e e nm a d ea np e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ta n d a n a l y s i sa c t u a l f a c t o ro fi n n u e n c ec a i i b r a t i o ns y s t e ma c c u r a c yt h a ti s 4 5 4 41m k u n d e rt h et e m p e r a t u r e2 0k ，w h i c hr e a c h e sd u ra n t i c i p a t e di n t e n t i o n a n di ti s p r o v e dt h a tt h ec a l i b r a t i o ns y s t e mi sr e l i a b l e a n dt h ec a h b r a t i o ns y s t e ma l s oc a n c a l i b r a t eo t h e rt b e r m o m e t e r s k e y w o r d s ：c r y o c o n d e n s a t i o np u m p ， t h e r m o m e t e rc a l i b r a t i o n ，c a l i b r a t i o n a c c u r a c y ，c o m p a r i s o nt h e o r y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成累，也不包含为获得盒世王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签字撰令爱签字日期：d 僻每月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒目矍王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名壤今良 签字日期：年；月；7 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：， 签字日期：埘年；月于j 曰 电话 邮编 致谢 本论文从选题到论文完稿得到导师陈长琦教授和中科院等离子体物理研究 所欧阳峥嵘高级工程师两位老师的悉心指导。在我整个研究生生活和学习当中， 也得到了其他老师、同学和朋友的关心和帮助，借此机会一并向他们表示忠心 的感谢! 忠心感谢导师陈长墒教授对我在生活和学习上悉心帮助和耐心指导，他渊 博的知识、严谨的治学态度、敏锐的洞察力、卓越的思维方法以及平易近人的 作风使我对科学和人生有了更进一步的认识。 衷心感谢中科院等离子物理研究所欧阳峥嵘高级工程师在课题研究过程中 所给予的无私指导和帮助。他博学多才、思维敏捷、视角开阔和对问题的独到 见解值得晚辈学习，让我收益匪浅! 衷心感谢中科院等离子物理研究所胡纯栋研究员、胡立群研究员在学习和 生活上给予的无私帮助! 也感谢中性束课题组其他老师和同学在实验过程中给 予的大力帮助。在论文的撰写过程中也得到了谢远来、葛锐、杨道业、王艳、 孙铭、乐瑞文等其他研究生同学的关心和帮助! 忠心感谢三室奚维宾、吴浩、龙风等同事在标定实验时所提供的帮助。 衷心感谢真空教研室朱武副教授和制冷教研室及其他老师的关心和帮助! 最后，再次向多年来在我的成长和学习生涯中给予我帮助和关心的所有老 师、同学以及亲戚朋友表示诚挚的谢意! 也感谢我的父母、兄弟姐妹多年来所 给予的极大支持和无私的帮助! 谨以此文献给他们! 作者：聂金良 2 0 0 5 年3 月 第一章绪论 1 1 低温测量与低温温度计标定系统的国内外发展概况 计量是现代化建设中一项必不可少的技术基础，在计量测试科学领域中， 温度的计量与测试又是一个基本的物理量，它与其他许多物理参数有着密切的 关系，因而在工农业生产，科学研究和日常生活中，都离不开温度的准确测量 和精密控制，尤其是五十年代末，液氧，液氢作为火箭燃料先后成为现实，低 温已经广泛地用于物理，石油化工，超导技术，宇航工程，原子能科学和医学 等许多科学技术领域，与此同时实用温度范围进一步扩到液氦温区，因而对极 低温度下的温度测量也随之提出了新的要求，如准确度高，复现性能好，使用 简便，价廉和受磁场影响小等j 。 低温测量最近二十年来发展很快，主要表现在：建立完善的低温温标，研 制新型低温温度计，温度测试技术的提高和低温恒温器设计的不断改进等方面。 国内外低温温度计的标定系统研制已具有一定的规模，美国在低温温度计 标定方面走在世界的前列，美国n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t i o no fs t a n d a r d sa n d t e c h n 0 1 0 9 y ) 工业温度计标定实验室( i t s ) 提供了从一1 9 6 到5 5 0 间的工业 温度计标定，通过比照标定原理，标定温度计类型有玻璃温度计，热敏电阻温 度计，热电偶温度计，工业铂电阻温度计。表卜1 是i t s 温度标定不确定度【2j 。 表1 1n i s ti t s 实验室温度计标定不确定度 t h e r m o m e t e r t r a n g e m “( ) t h e 丌n o m e t e r t r a n g em “( ) t y p e ( ) u n c t y p e( ) u n c l i gh gp a r to 5 0 01 oi p r t1 9 6 5 5 0 0 0 0 9 l i gh g t o t a lo 5 0 01 ot h e m i s t o r5 0 1 0 00 0 0 3 l i go r g p a n一9 0 o1 ，0 d i g i t a l 19 6 5 5 0o 0 0 9 l i go 嘻t o t a l一2 0 0 oo 5t c 聊e t 1 9 6 3 0 0o 9 c a l o m e t r i co 5 1o 0 1 n i s t 根据1 9 9 0 年制定的国际温标( i t s 9 0 ) 设计的一套铑铁温度计标定 系统，它是比照胶囊型铑铁参考温度计标定的，其标定温度范围与膨胀不确定 度列在表卜2 。但由美国n i s t 标定的温度计价格太高，型号3 3 1 4 1 c 铑铁温度 汁其价格为】8 4 8 美元i 引。 第一章绪论 1 1 低温测量与低温温度计标定系统的国内外发展概况 计量是现代化建设中一项必不可少的技术基础，在计量测试科学领域中， 温度的计量与测试又是一个基本的物理量，它与其他许多物理参数有着密切的 关系，因而在工农业生产，科学研究和日常生活中，都离不开温度的准确测量 和精密控制，尤其是五十年代末，液氧，液氢作为火箭燃料先后成为现实，低 温已经广泛地用于物理，石油化工，超导技术，宇航工程，原子能科学和医学 等许多科学技术领域，与此同时实用温度范围进一步扩到液氦温区，因而对极 低温度下的温度测量也随之提出了新的要求，如准确度高复现性能好，使用 简便，价廉和受磁场影响小等。 低温测量最近二十年来发展很快，主要表现在：建立完善的低温温标，研 制新型低温温度计，温度测试技术的提高和低温恒温器设计的不断改进等方面。 围内外低温温度计的标定系统研制己具有一定的规模，美国在低温温度计 标定方面走在世界的前列，美国n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t i o no fs t a n d a r d sa n d t c c h n o l o g y ) 工业温度计标定实验室( i t s ) 提供了从一1 9 6 到5 5 0 间的工业 温度计标定，通过比照标定原理，标定温度计类型有玻璃温度计热敏电阻温 度计，热电偶温度计，工业铂电阻温度计。表1 1 是i t s 温度标定不确定度j 。 表1 1n i s ti t s 实验室温度计标定不确定度 t h e r m o m e t e r t r a n g em “( ) t h e m l o m e 储。tr a n g e m “( ) t v p e ( ) u n c t y p c ( ) u n c l i gh g p 矾o 5 0 01 o i p r t1 9 6 5 5 00 0 0 9 l i gh g t o t a io 5 0 01 ot h e m i s t o r5 0 1 0 00 0 0 3 l j go r g p 础一9 0 o1 0 d i g j t a l 1 9 6 5 5 00 0 0 9 l i go 噻t o t a l一2 0 0 0o 5t c 聊e t 1 9 6 3 0 00 9 c a i o “m e 订i c0 5 1o 0 1 n i s t 根据1 9 9 0 年制定的国际温标( i t s 9 0 ) 设计的一套铑铁温度计标定 系统，它是比照胶囊型铑铁参考温度计标定的，其标定温度范围与膨胀不确定 度列在表卜2 。但由美国n i s t 标定的温度计价格太高，型号3 3 1 4 i c 铑铁温度 计其价格为1 18 4 8 美元【3 l 。 计其价格为1 18 4 8 美元。 表1 2n i s t 铑铁温度计比照标定膨胀不确定度 t a b l e1 2n l s te x p a n d e du n c e r t a i n t e s f o rc o m d a r j s o nm e a s u r e m e n t so f r ir ，r s r a n g e ( k )e x p a n d e du n c e r t a i n t y( m 殉 o 6 5 t o2 oo 5 2 o t o5 0 o 0 8 5 0 t o8 - 8o 1 7 8 8 t o1 3 8o 2 1 1 3 8 t o 】7 00 3 4 1 7o t o2 0 3o 1 8 2 0 t 3t o2 4 5 5 6 1 0 2 4 2 4 5 5 6 1t o5 4 3 5 8 40 2 7 8 4t o8 3 8 0 5 80 2 2 由法国核物理研究院( i p n ) 和欧洲粒子研究机构( c e r n ) 合作设计一套 低温温度计标定系统。它的标定原理是比照四个铑铁参考温度计来标定其他待 标温度计，其标定插件如图1 1 ，标定温度范围和误差列于表1 3 1 4 t ”。 e o n c t o n h d i a 班h 也o u 茹谢 c 1 垃；l o a q m ：b e n 1 s q y o ；“ v l “p h u i j m 图1 1 标定插件示意图 f i g u r e1 - 1c a l _ b m t i o ni n s e r td e s c r i p t i o n 表1 3温度计标定误差 t a b 】e1 3t h e r m o m e t e rc a l i b r a t i o ne r r o r h t n 锄c o o l 赴 暮l t c # k ；h t 咐 t 如：皿t h l 舳b c 。p 社埔；o 吐 w m 螅 s 珏n 如m 温度标定范围( k )标定误差 ( m k ) 1 6 4 25 4 2 3 02 5 3 0 3 0 01 0 2 由l a k es h o r e 公司分度的c e r n o x 电阻温度计在2 0 k 以下标定精度为9m k ， 但由该公司标定的温度计费也是很高，国内中国科学院低温技术实验中心对温 度计标定也有一定的研究，但其精度不是很高。 1 2 课题的来源、目的及所研究的主要内容 本课题来源于中科院等离子体物理研究所中性束注入系统研制的一个子课 题。为了研究核聚变，国内外研制了各种各样的聚变装置，中科院等离子体物 理研究所研制了h t 一7 托卡马克装置。要使托卡马克装置中等离子体能量达到一 定的要求，必须对等离子体进行加热。中性束加热作为一种重要的加热方式【6 】， 能把等离子体温度提高到适当水平，低温泵是中性束注入系统不可或缺的组成 部分。为了及时反映低温泵的运行情况，在装置的降温，保温，回温的过程中， 都需要对温度进行准确监测，为了满足装置的技术诊断要求需要对每个温度计 进行一一标定。 本课题研究的主要内容是设计一套低温温度计的标定系统，其涉及到的问 题主要包括以下几个方面： 1 低温恒温器的设计：计算低温恒温器漏热负荷，设计低温恒温快真空室 的最佳几何尺寸，合理布置加热器，尽量保证低温恒温器真空室恒温块的温度 一致性，并能稳定在任意所需的温度点上。其过程还涉及一些低温材料的选择， 材料焊接问题，真空密封问题。 2 整个标定系统的性能测试：包括恒温块温度场分析：各部件密封、稳定 性能及整个标定系统可靠性测试。 3 分析影响标定系统标定精度的主要因素：包括引线漏热及其处理：温度 计接线原理及其导线热电动势的处理；引线自热效应处理：对标定铑铁温度计 数掘处理并拟合出r t 特性曲线。 4 介绍数据采集及其标定系统的软件主体。 1 3 本课题的研究意义 低温温度计标定装置的成功研制，可以为中性束注入课题节省科研资金， 对低温泵冷板温度进行多点，实时准确测量，可以更好反映低温泵的实际工作 情况，反过来，也可以验证低温泵设计的合理性。同时也为e a s t 深低温的温 度测量提供经验积累和理论支持。 第二章低温温度计标定系统应用背景及其可行性方案 2 1低温温度计的标定系统应用背景 中性束注入器被国际聚变界公认为是最有效的加热手段之一，它对真空系 统的要求是真空箱内的动态真空度5 5 1o 。p a ，极限真空度1 0 一1 0 1 p a 数量级 川确保不能有大质量的杂质粒子流入等离予体区，污染等离子体，因此大抽速的 低温泵是不可缺少的组成部分，此装置中主t a n k 低温泵设计为插板式液氦冷 凝泵，为了减少冷凝面的热负荷，在冷凝板的两侧布置了l n 2 入字形挡板，在 装置的降温过程，运行保温和回温阶段都需要对温度进行准确监控，而且低温 泵很多性能参数与温度有密切关系，温度的精确测量直接关系到中性束注入器 的现场技术诊断，根据诊断要求。液氦温区测量精度要求达到o 1k ，液氮温区测 量精度要求达到o ，5k ，所以对温度的精确测量显得十分重要。对此我们研制了 一一套适用的低温温度计标定系统。 2 2 中性束注入器的结构与工作原理 对于磁约束等离子体，带电粒子不能入射到等离子体内部，必须对高能带 电粒子进行中性化，中性束注入器就是套用来产生高能带电粒子并进行中 性化的设备。用于h t - 7 托卡马克装置的中性束注入器的典型结构示意图如图 2 1 所示。它主要由离子源、加速电极、低温冷凝泵、中性化室、偏转磁铁、 离子消除器、t a n k 、功率测量靶等组成。由离子源产生的离子，经引出电极 引出并经加速电极的加速，成为能量达几十乃至上百k e v 的高能离子束。高能 离子束进入中性化室，与中性化室中的气体分子相互作用实现中性化，从而使 3 l 机械泵，2 涡轮分子泵，3 离子源，4 加速电极，5 低温冷凝泵，6 中性化室，7 偏转磁铁，8 离子消除器，9 t a n k ，1 0 功率测量靶，1 1 低温泵，1 2 等离子体 图2 1 中- 眭束注入器的典型结构示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h et y p i c a ls t r u c t u r eo f n e u t r a lb e a m n j e c t o r 其中的一部分转化为高能中性粒子束。中性粒子束经漂移管道注入到托卡马克 装置的等离子体中，中性粒子在等离子体中通过电荷交换和碰撞电离变成离子 并被磁场捕获，再经过跟原有等离子体发生库仑碰撞，把能量交给等离子体， 达到加热等离子体的目的。未中性化的部分在经过偏转磁铁时，在磁场力的作 用下发生偏转，最后打到离子消除器上，为离子消除器所吸收。 按中性束注入器要求中性化室内的真空度须为1 0 。p a 量级，真空箱体内的 动态真空度为1 0 。p a 量级，而托卡马克的真空度量级一般在1 0 1 旷5 p a 【”。 为了在中性束注入托卡马克的瞬间不影响托卡马克内的真空度，也为了减小中 性束的再电离损失，必须有一个大抽速的泵来迅速提高真空度。为了平衡托卡 马克和中性束注入系统的压强差，必须还要有个泵放在偏移管道内。而低温 泵很多性能参数与温度有着直接关系，比如低温泵抽速和极限压强等。 2 3 低温冷凝泵简介 该系统共有两个低温冷凝泵，一个放置在真空室内，根据设计计算，其抽 3 4 1 人字形挡板2 ，液氮杜瓦3 液氮杜瓦4 低温冷凝板 图2 2低温冷凝泵结构示意图 f i 只2 2s c h e m a 廿c so f c r y o c o n d e n s a t i o np u m p 速为4 0 0 ，0 0 0 l s ，其示意图如图2 2 所示。主要用来抽走再电离产生的气体和 给中性化室补气后的残余气体。它的两臂均由三块冷凝板组成，中间一块为液 氦冷凝板，冷凝泵主要通过它进行抽气；两边为液氮冷凝板，用来预冷气体分 予、防止热辐射。冷凝板内部的管道用来输液氮或液氦。另一个为贮槽式低温 泵抽速为2 0 ，0 0 0 l s ，其示意图如图2 - 3 所示。放在漂移段内，主要用来维持 托卡马克和中性束注入系统的压强差，两个冷凝泵原理相同。 图2 3 贮槽式低温泵示意图 f i 9 2 3s c h e m a t i co fs t o r a g e - c r y o p u m p 2 3 1 低温泵性能参数简介 低温泵性能参数包括抽速、极限压强、抽气容量、低温泵的降温时间等 下面主要介绍低温泵抽速和极限压强。 2 3 1 1 抽速 低温泵的抽速是指单位时间内从真空容器流向泵冷板的净气体积。抽速可 以根据气体分子运动理论计算求得，其流态不同抽速也不同。 ( 1 ) 自由分子流状态时的抽速“1 低温泵在自由分子流状态时的抽速，可用气体动力学理论来计算。其计算 式如式( 2 1 ) 所示： 耻半= 酬愿以6 蚴捂剐 - ， 式中 a 一低温抽气面的有效面积( c 聊2 ) u 被抽气体的平均热运动速度( c 聊s ) r 一气体常数， t 。一被抽气体温度( k ) m 被抽气体分子量 口冷凝系数 其意义是气体分子与低温抽气面相碰，气体分子被捕获的几率。对于温度 非常低的抽气面使被抽气体冷凝到抽气面后不再逃逸出来，这是一种理想抽气 6 状态。对于液氦冷凝泵一般按理想状态处理，即取口一。单位面积的抽速称为 比抽速，通过公式( 2 1 ) 可以看出，冷凝面的最大比抽速只与气体种类和气体 温度有关，与冷凝面温度无关、与气体压强以及饱和蒸汽压无关。 然而，在接近冷凝蒸汽压的压强下，必须考虑表面的蒸发，这时有效抽速 可由式( 22 ) 计算： 厅p 耻3 石4 、兹( 1 _ ) ( 1 s ) ( 2 。2 ) 式中尸被冷凝蒸汽的饱和蒸汽压 p 一入射分子的气体压强 两者都在温度下用真空规测得。 ( 2 ) 粘滞流状态时的抽速 在较高的压强下，当气体分子的平均自由程远小于系统的特征线度时，气 体的流动属于连续流( 或称粘滞流) ，其流通特点是分子之间的碰撞占优势。由 于分子之间通过频繁碰撞进行动量与能量交换，又由于低温面和容器壁之间存 在温度和压强梯度，所以在这种场合下存在驱使其向低温冷凝面定向流动的力， 其结果是粘滞流状态比自由分子流状态有更高的抽速。粘滞流状态时的抽速可 由式( 2 3 ) 确定： 。巧掣 丽f 鲁一挑， s ， 式中：y 一被抽气体的绝热指数 m 一被抽气体的分子量 一被抽气体的温度 r 一普适气体常数。 与自由分子流状态的抽速相比，粘滞流状态的抽速比分子流状态的抽速约 大3 倍，但在高压强端( 大于1 p a ) ，由于粘滞流会带给低温面大量的热量，冷 却面上的气体沉积层产生温升，使部分被吸气体解吸，导致捕获系数下降，另 方面，由于快速粘滞流区域积存了不能冷凝也不能被吸附的气体，使冷却面 额外多了一层导热物质，影响了抽速，从而抽速下降。低温泵的抽速与气体压 强的关系曲线如图2 4 所示2 】。 一般而言，低温泵处于分子流状态，但在中性束注入器的中性化室部位使 用的低温泵在中性束的注入期间处于粘滞流范围。 2 3 1 2 极限压强 从理论上来说，对于冷凝型低温泵，其低温抽气面所能达到的极限压强就 堪 番 釉 啦 。 嘲 最 图2 4 低温泵的抽速与气体压强的关系 f 嘻2 4r e l a t i o nb e t w e e nt h ep u m p i n gs p e e do fc r y o p u m pa n dg a s 是在低温冷凝面温度下被抽气体的饱和蒸汽压。可由于受被抽气体温度、人字 形挡板温度等因素的影响，冷凝型低温泵的极限压强与饱和蒸汽压有较大的差 别。下面分别讨论这些因素对冷凝型低温泵抽速的影响。 ( 1 ) 被抽气体温度对极限压强的影响 被抽容器内的极限压强与被抽气体温度的关系由式( 2 4 ) 决定： f f 只= 只、等( p a ) ( 2 4 ) v1 0 式中只被抽真空容器内的压强 只一冷凝面温度下被冷凝气体的饱和蒸汽压 瓦一被抽气体的温度( k ) r 一低温冷凝面温度( k ) 。 一般冷凝泵低温抽气面前有液氮温度的人字形挡板，被抽气体通过挡板后 l “7 7 k ，所以对带有液氮冷却的人字形挡板的冷凝泵，式( 2 4 ) 简化为： z 4 2 陴 ( 2 5 ) 对于吸附类型的低温泵，因为吸附面由微孔物质构成，被吸附住的气体分 子大部分在微孔内，不象冷凝在表面上的气体那样容易从被抽气体获得解吸能 量，所以吸附类型泵对被抽气体的温度不像冷凝泵那样敏感。 ( 2 ) 人字形挡板温度对极限压强的影响 为了防止以下因素带给冷凝面的热量：( 1 ) 热辐射：( 2 ) 注入中性束或逃 逸等离子体的高能粒子轰击冷却面；( 3 ) 室温气体带来的热量。因而在冷凝面 前设置人字形挡板。对于用液氮冷却的人字形挡板，温度在7 7 一g o k 之间的， 4 2 k 冷凝面的极限压强可用( 2 5 ) 式进行计算；温度在9 0 一3 0 0 k 之间的，4 2 k 冷凝面的极限压强可用式( 2 6 ) 进行计算”3 】： 只= 只+ 口( 巧一军) ( p a ) ( 2 6 ) 式中a - 与挡板种类有关的常数 l 挡板温度( k ) r 一低温冷凝面温度( k ) 对于人字形挡板，d = ( 1 6 3 5 ) l o 。2 2 如k 4 。 此关系式表示：当人字形挡板温度超过9 0 k 时，冷凝面已冷凝的氢将大量 被解吸，使得极限压强偏离在冷凝温度下被冷凝氢的饱和蒸气压。存在这种现 象的原因是在冷凝面上固态氢和金属面之间存在着传热的壁垒，这种壁垒使固 态氢和金属壁之间有温差，因此即使很少量的外界辐射热的变化也能引起固体 氢层相对于衬底金属有温度变化，使解吸加剧。 2 4 低温温度计标定系统应用意义和可行性方案 低温冷凝泵是中性束注入器的一个重要组成部分，t a n k 内本底真空度为 1 0 一1 0 “量级，动态真空度为5 5 1 0 ，中性束注入器的真空系统示意图如 图2 1 所示，主真空室的低温冷凝泵设计为插板式冷凝泵，漂移管道上的低温 冷凝泵为贮槽式冷凝泵，为了减少冷凝面的热负荷，在冷凝板的两侧布置了l n z 人字形挡板，为了更精确了解低温泵的实际工作情况，在装置的降温过程，运 行保温和回温阶段都需要对温度进行准确测量，温度的精确测量直接关系到中 性束注入器的现场技术诊断，而低温冷凝泵的低温测量有液氮和液氦两个温区， 需要用到很多铑铁温度计和铂电阻温度计，根据调研，在液氦温区温度误差不 超过o 1 k ，液氮温区误差0 5 k ，我们在液氦温区选用铑铁温度计测量，该温度 计在o 3 2 4 0 k 温度范围内具有很高的精确度，并且有着很好的复现性和稳定 性，液氮温区我们选用铂电阻温度计( p t _ 1 0 0 ) 测量。低温温度计的标定过去主 要依靠计量部门完成，而且价格较高，为此如果能成功研制一套低温温度计标 定系统。不仅可以节省大量的资金，而且可以为e a s t 全超导托卡马克装置上 的相关技术进行进一步的探讨，积累理论经验。 由于中国科学院研究所从事低温方面的理论研究和技术运用已有雄厚的基 础，无论从硬件上还是软件上建立这样一套低温温度计的标定系统都是可行的， 另外，我们利用2 0 0 帆口径液氦杜瓦，二次仪表k e i t h l e y2 0 0 1 ，该表可同时 9 采集1 4 个通道，2 0 v 量程时电压值可精确到1 m v ，2 v 量程时电压值可精确到 1 0 0 u v ，并设计一个可变温的低温恒温器。这些因素可以保证我们只需少量的 投资就可建立完整的一套标定系统。 0 第三章低温温度计标定系统的设计 3 1 标定系统简介 图3 1 是低温温度计标定系统示意图，它主要由低温恒温器，恒流源，低 温控温仪以及数据采集几部分组成。 l 低糠控j | | ；【位 图3 一l 标定系统示意图 f i g3 - ls c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f c a l i b r a 廿o nf k i j i t y 3 1 1 低温恒温器结构设计 低温恒温器是标定装置的重要 部件，它的性能好坏直接影响到温 度计的标定精度，而低温恒温器又 主要由恒温块、吸热柱、等温屏、 加热器和真空室等部分组成，图3 2 给出低温恒温器的示意图。真空室 内的绝热程度和恒温块的温度均匀 性又是低温恒温器的设计所要解决 的首要问题，对于低温恒温器内真 空室高绝热程度1 的作用： 欢仅表 l 液氮输进口 2 加热器引线出口 3 事芯引线插座 4 电阻真空计 5 接真空系统 6 抽牡瓦真空管 7 0 。形钢密封圈 8 杜瓦 9 吸热柱 1 0 恒温块 铑铣温度计 l2 抽真空管 13 防辐射屏 加热器 】5 锗电阻温度计 1 6 等温屏 ( 1 ) 可以精确地计算使恒温块升温时所提供的热量； ( 2 ) 恒温块内部温度会很均匀，理想绝热时恒温块内没有热流和温度梯 度存在； ( 3 ) 由于环境变化对恒温块的影响几乎被隔绝，因此恒温时恒温块的温 度很稳定； ( 4 ) 恒温块升温所引起的冷源液氦的消耗就越小。 3 1 1 i 真空室内传热方式及其传热机理1 为了提高真空室的绝热程度，我们先了解低温下几种可能的传热方式及其 传热机理。 ( 1 ) 稀薄气体的导热 气体的传导主要由分子的移动及相互碰撞而产生，因此与气体的流态有很 大的关系，常以克努森( k n u d s e n ) 数来表征： k n = l l( 3 1 ) 式中卜一气体分子的平均自由程； l 一绝热空间的特征尺度。 按照克努森数k n 的大小，将稀薄气体分成四个状态： ( 1 ) k n 0 0 l ：连续介质状态； ( 2 ) o o l k n o 1 ：滑流状态或称温度跃变状态； ( 3 ) o 1 k n 1 0 ：自由分子状态。 因此，绝热空间气体的热导率不仅随气体种类而异，而且还和气体的状态 参数( 温度，压强) 有关，即与气体分子的平均自由程有关。 气体分子的平均自由程可按下式计算： l 一6 ，4 4 1 0 3 坐开万( 3 2 ) p 式中卜一气体分子的平均自由程 ( c m ) 气体分子动力粘度( p a ，s ) p 一气体分子压力( p a ) t 气体分子的热力学温度( k ) m 一气体的相对分子质量 从上式中可以看出对于同一种气体，平均自由程1 随着压强p 的减少和温 度t 的提高而增大。随着气体分子的平均自由程的增大，其传热情况也会发生 很大的改变，如当l “l 是，则呈自由分子状态，在传输过程中，分子间的相互 碰撞的几率远远低于气体分子与器壁碰撞的几率，此时热导率不再决定于气体 分子的能量交换，而是决定于气体分子与壁面的能量交换情况。根据平壁导热 公式可求出其传热q 为 2 q = 筹勰其中= 蒜等 。j ( 1 + 2 勖) 。 2 ( ，+ 1 ) 口 对于圆柱形器壁来讲，上式又可以转换为 q ：鱼掣! i l 盟 h 卫( 1 + 2 砌) ，2 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 式中正，疋一外，内壁的温度 ， 一外，内壁半径 h 一圆柱体的高度 五一大气压下气体的热导率 r _ 一比热比 口一适应系数 当压强低于o 1 p a 时，q 的变化正比于压强，为此，要想使气体传热减少 到足够小的数值，真空室空间必须保持较高的真空度。 ( 2 ) 低温下固体的导热 固体的导热存在两种机理，即传导电子的迁移和晶格的热振动( 又称声子 导热) 。不同材料在不同的温度下这两种机理对导热的贡献是不同的。就低温工 程中常用的金属、合金与绝热材料的导热情况进行分析。 1 金属的导热 对于非合金的金属导体( 主要是纯金属) ，其导热几乎全是由传导电子的迁 移承担。根据气体动力学的基本理论可以推导出传导电子的热导率a 。： 1 九= v 。z 。c 。 ( 3 - 5 ) j 式中v ，传导电子的平均速度； t 一传导电子的平均自由程： c 一传导电子的比定容热容。 由分析可以知道，在低温下传导电子的平均速度v 。与温度t 无关，而传导 电子的比定容热容c 。正比于温度t ，因此，只要根据传导电子的平均自由程，。就 能计算五。 传导电子的平均自由程，。主要受散射所决定，而散射主要决定下面两个因 素：+ 是由声子引起的电子散射，另一个是由晶格中的杂质( 或晶格缺陷等) 所引起的电子散射。由这两种散射而引起的热阻r 。为： r 。= 1 屯= r 。+ r i ( 3 6 ) 式中r ，一由晶格中的杂质( 不纯原子、孔穴、错位等) 而引起的热阻 r i 一由声子对传导电子散射而引起的热阻。 在声子散射的r i 中，传导电子的平均自由程t 与声子的比定容热容成反比， 在极低温下，声子的比定压热容正比于温度t 3 ，所以t 正比于】t 3 ，同时由于f ，。 正比于温度t ，因此得出1 ，r j 正比于l t 2 ，在杂质散射的r ，中，电子的平均自 由程，。和杂质的溶度有关，而与温度无关，根据l r ，= 妻吃之c 。，则1 r ，正比于 t ，根据上面的分析，可以把式( 3 7 ) 整理成： 1 丑= r 。= r ，+ r i = a t 2 + b 厂r ( 3 7 ) 式中：a ，b 为常数 重新整理式( 3 8 ) 成 五。=! ! 晕 ( 3 8 ) 。2 1 l j 一6 ， 。1 + a r b 在低温区，t 。) ，声子之间的相互作用加强，由此而产生的热阻r 。正 比于t ，而c 。，在高温区接近常数，即： 矗2 l r p “1 t ( 3 1 1 ) 在中温区，情况比较复杂，几种影响因素都存在。 鉴于此，合金属材料的热导率为： 丑= 丸+ 五 ( 3 - 1 2 ) 1 4 对于以某种纯金属主要成份所组成的合金，如果掺加极少量的其他金属， 其导热还是依靠传导电子导热，类似于纯金属的导热，但对于一般合金，由于 杂质岔量增加，杂质对电子数射影响加强，使传导电子导热大大降低，电子导 热与声子导热两种机制均要考虑，其热导率不能用一个简单的关系式来描述， 在此我们取各金属的平均热导率。 在低温工程中，即使在室温环境中，固体的构件的温差一般也是很大的， 热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给 相邻温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，这是最 普遍的一种传热方式。热传导主要指的是固体和液体，因为气态的分子构成并 不是非常紧密，它们之间能量的传递被称为热扩散。热传导基本公式是： ， d = 兄兰f( 3 。1 3 ) 一 j 其中q 一热量，也就是热传导所产生或传导的热量 丑一材料的热传导系数 f 一传热面积 出一温度差 艿一厚度 热量传递的大小同热传导系数、热传导面积成正比，同距离成反比。热传 导系数越小、热传递面积越小，传输的距离越长，那么热传导的能量就越少。 ( 3 ) 低温下的辐射传热 减少辐射传热是低温绝热技术中的主要内容之一，低温辐射传热问题不仅 归结为界面上的发射和吸收，丽且还涉及到绝热空间介质的物性，在低温下， 热辐射本身就有其特点再加上绝热空间的介质不同，更加使得辐射传热的分析 复杂化。 1 热辐射机理 热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0 卜1 0 0 微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的 真空中直接传递。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力， 也能吸收周围环境对它的辐射热。自然界所有的物体，不管其温度高低，都在 不停地向周围发出热辐射能；同时也不断地吸收其它物体发出的热辐射能。辐 射和吸收热辐射能的综合结果就构成物体间的辐射换热，最终由高温物体把能 量传递给低温物体。 普朗克( p l a n c k ) 公式给出了真空中黑体的单色热辐射力和辐射波长( 或 者频率) 的关系。热辐射力是指单位面积的黑体在某方向上的辐射能量。 p l a n c k 公式的波长形式如下： ，一5 e ：= ；一 ( 3 1 4 ) 丘6 。2 五百万j 、。_ ”， 式中：e 。，波长为x 的单色辐射力 一波长 t 绝对温度，k c i 第一辐射常数，3 7 4 2 1 0 “6 w m 2 ， c 2 第二辐射常数，1 4 3 9 1 0 2 m k 。 在整个波长范围内对p l a n c k 公式进行积分，可以得到全波长辐射力的公 式： 毛= 刀4 ( 3 一1 5 ) 2 热辐射的特点【”1 ： 辐射可以在真空中传播；热辐射过程中伴有能量形式的变化，即从物体的 热能转变为辐射能，辐射能被其它物体吸收而转换成该物体的热能。 3 辐射力的影响因素： 实际物体的辐射能力主要与温度和波长有关，除此之外，还与构成该物体 的材料性质及表面状态等因素有关： a 不同材料性质的影响：不同性质的材料因对辐射的吸收或反射性能各 异，因此它们的发射性能也不同。当温度低于3 0 0 k 时，金属氧化物的发射率 一般大于0 8 。 b 表面状态的影响：任何实际物体表面都不是绝对光滑的，总会表现为不 同的表面粗糙度。因此，这种不同的表面形态，将对反射率造成影响，从而影 响发射率的数值。这种影响的大小同时取决于材料的种类。 总而言之，低温下的实际传热过程也不是单一的传热方式，而是辐射、对 流和传导综合的结果，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。在真空室的 设计过程中，我们遵循各传热方式的传热规律，尽量减少热损失，提高真空室 的绝热性能，减少外界漏入真空室的热量。 3 1 1 2 真空室结构设计 在真空室的设计过程当中，( 1 ) 为了减少辐射传熟在真空室的壁面均匀地 涂上低发射率的银，并在表面进行清洁与光洁处理，尽可能降低壁面的发射率。 ( 2 ) 为了提高绝热结构的性能，还必须减少残余气体的导热。从图3 3 中我们 可以看出当环境定，气体种类一定时，残余气体热导率主要正比于真空度p 。 在我们标定实验中，以真空室抽到l o 。托左右的高真空来减少剩余气体的热传 导。在降低该类辐射传热的另一措施就是恒温块外加等温屏，利用电加热器， 使等温屏上的锗温度计和恒温块上的标准温度计读数相同即恒温块与等温屏的 1 6 温差等于零，这样恒温块就处于绝热状 态。当然，悬吊恒温块的两根不锈钢毛 细管及温度计引线会引起等温屏与恒 温块间的热交换，但是由于它们间的温 差很小，所以恒温块几乎是绝热的，同 时由于恒温块有较大的热容量，因此在 相当长的一段时间内恒温块的温度是 恒定的。等温屏上留有内外通气孔道 目的使真空室内各部