一种超低振动顶端装卸型恒温器装置的制作方法

1.本发明属于低温恒温器中的减振技术领域，尤其涉及能够测量低温磁场环境下样本的相关性质参数的低温恒温器，具体地说是一种采用多重复合减振的超低振动顶端装卸型恒温器装置。


背景技术：

2.近年来，随着低温光学、物性测量、量子等先进技术领域的不断发展，低温恒温器不仅要满足制冷温度及制冷量的要求，还要在原有基础上提升振动性指标，以降低恒温器的振动对实验结果造成的干扰。
3.目前，对振动指标要求较高的恒温器常采用脉管制冷机作为冷源。相比于gm制冷机，脉管制冷机具有振动低的特点，但其安装位置有限制，对场地及装置的适应性差并且热稳定性较低，由于暂未实现国产化，成本较高。采用gm制冷机为冷源的恒温器，目前的减振措施主要有：（1）部分位置采用波纹管连接；（2）样品腔与制冷机冷头采用软连接。但是，就减振效果来看，还无法满足普遍要求的50～100nm的超低振动要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种采用多重复合减振的超低振动顶端装卸型恒温器装置；该装置能够满足普遍要求的50～100nm的超低振动要求且能够快速换样。
5.本发明的目的是通过以下技术方案解决的：一种超低振动顶端装卸型恒温器装置，包括制冷机、真空腔、低温阀、安装有样品杆的样品腔，其特征在于：所述的制冷机安装于制冷机支架上且制冷机支架通过支架减振器支撑于外框架上，插入真空腔中的制冷机腔体与制冷机之间采用制冷机减振波纹管相连接且制冷机的换热器与对应的制冷机腔体的换热器采用环形对插式结构以隔绝冷头处的振动传递；所述样品杆的上端通过样品杆法兰固定在气浮光学平台上、且样品杆法兰通过样品腔减振波纹管与样品腔相连接。上述结构中，真空腔用于包覆装置的低温部分，隔绝其与外界环境的热交换，整体支于外框架上；制冷机为该装置主要的振动来源，该装置通过制冷机减振波纹管、制冷机腔体及支架减振器实现对制冷机振动的隔离，通过样品腔减振波纹管及气浮光学平台实现样品杆与恒温器腔体间的振动隔离，综合以上振动隔离手段，最终实现样品处的超低振动要求。
6.所述的真空腔通过真空腔筒体转接板与安装在外框架上的真空腔减振器相连接，使得装置通过真空腔减振器实现地面与恒温器腔体间的振动隔离，隔绝了地面振动对恒温器腔体的影响。
7.所述外框架内侧的制冷机支架上设有配重块一和配重块二，配重块一和配重块二用于调平制冷机支架且能够增大装置受迫振动的质量；由于制冷机的振动主要沿竖直方向，为避免在水平方向产生悬臂放大振动，故采用配重块调平，使装置质心在水平方向居
中，然后调节外框架上的真空腔减振器的高度，使其与质心高度一致，降低水平方向的振动，配重块增大了受迫振动的质量，可降低振动幅度。
8.所述制冷机腔体底部的制冷机腔体液氦出口通过制冷机液氦管路与低温阀底部的低温阀液氦入口相连通，低温阀底端的低温阀液氦出口通过低温阀液氦管路与样品腔下部的样品腔液氦入口相连通，样品腔上部的样品腔循环氦气接口通过带有循环泵的氦气循环管与制冷机上的循环氦气进气口相连通。
9.所述的氦气循环管通过带有循环氦气充气阀的循环氦气充气管与能够连通氦气储罐的充气接口相连通；所述的循环氦气充气管通过带有静态氦气充气阀的静态氦气充气管与样品腔内管上设置的样品腔静态氦气接口相连通；所述静态氦气充气管与循环氦气充气管的接口处位于循环氦气充气阀与充气接口之间、且循环氦气充气管与氦气循环管的接口位于循环泵和循环氦气充气阀之间；由于样品腔静态氦气接口通过静态氦气充气管和循环氦气充气管与氦气的充气接口连接，通过调节样品腔的静态氦气压力，能够改变静态氦气的导热系数，从而控制样品与样品腔内壁的导热量；此外，换样时打开静态氦气充气阀进行吹扫，制冷机无需关停，可以实现样品的快速换样。
10.所述的样品杆法兰与固定在气浮光学平台上的样品杆固定板相连接；所述的样品杆插入样品腔的样品杆杆体上设有多个平行设置的热辐射屏，热辐射屏用以降低样品处的辐射漏热；所述的样品腔分别通过样品腔一级热沉热耦接在一级热辐射屏法兰上、样品腔二级热沉热耦接在二级热辐射屏法兰上。
11.所述的样品腔包括样品腔外管、样品腔内管和样品腔底筒，样品腔底筒通过焊接样品腔转接环与样品腔外管、样品腔内管连接成一体，分段式结构可有效降低样品腔的加工难度，样品杆悬于样品腔内且样品杆的样品杆杆体末端直插入样品腔底筒的中部；位于样品腔外管上的样品腔液氦入口用于连通低温阀液氦管路与样品腔外管和样品腔内管构成的夹层腔，在样品腔液氦入口入口处的夹层腔内设有限流孔，限流孔能够在低温下抑制超流氦爬行、有效降低漏热，限流孔的下方为样品腔转接环，样品腔转接环的下方设有与样品腔底筒相连接的样品腔换热器。
12.所述的样品腔底筒位于二级热辐射屏筒体内且样品腔底筒的外围安装有超导磁体，超导磁体通过固定于真空腔法兰上的磁体吊杆悬于二级热辐射屏筒体内且超导磁体与样品腔底筒同心安装；所述的超导磁体通过磁体导冷块与二级热辐射屏法兰热耦接实现磁体冷却，超导磁体侧面引出的磁体引线依次穿过二级热辐射屏法兰和一级热辐射屏法兰并引至真空腔法兰上的磁体引线穿真空接口处；所述的磁体引线分别通过磁体引线二级热沉热耦接在二级热辐射屏法兰上、磁体引线一级热沉热耦接在一级热辐射屏法兰上，以此减小漏热。
13.所述的真空腔由真空腔筒体和覆盖在真空腔筒体上的真空腔法兰构成，在真空腔内设有一级热辐射屏法兰和一级热辐射屏筒体构成的一级热辐射屏腔体，在一级热辐射屏腔体内设有二级热辐射屏法兰和二级热辐射屏筒体构成的二级热辐射屏腔体；所述的制冷机腔体包括位于真空腔法兰和一级热辐射屏法兰之间的制冷机腔体上段、位于一级热辐射屏法兰和二级热辐射屏法兰之间的制冷机腔体下段，一级热辐射屏法兰上热藕接有制冷机腔体一级换热器且二级热辐射屏法兰上热藕接有制冷机腔体二级换热器，制冷机腔体一级换热器与其对应的制冷机一级换热器采用无直接接触的环形对插式结构配置、且制冷机腔
体二级换热器与其对应的制冷机二级换热器采用无直接接触的环形对插式结构配置，采用环形对插式结构的换热器通过氦气或液氦传递热量，无直接接触，隔绝了制冷机冷头处的振动传递。
14.所述的低温阀的上端固定在真空腔法兰上且低温阀的自动控制机构安装在真空腔法兰上；所述的低温阀依次通过低温阀一级热沉与一级热辐射屏法兰热藕接、通过低温阀二级热沉和二级热辐射屏法兰热藕接。
15.该装置采用带自动控制机构的低温阀，通过调节低温阀开度来调节液氦流量，实现样品与超导磁体间的冷量分配；超导磁体扫场产生热量，温度升高，低温阀开度调小，降低液氦流量，同时样品腔调小加热量，维持超导磁体与样品的温度稳定性。
16.本发明相比现有技术有如下优点：本发明的装置采用制冷机减振波纹管、分段的制冷机腔体及支架减振器实现制冷机与恒温器腔体间的振动隔离；采用真空腔减振器实现地面与恒温器腔体间的振动隔离；采用样品腔减振波纹管及气浮光学平台实现样品杆与恒温器腔体间的振动隔离；通过多重复合减振降低样品杆的振动，达到使用gm制冷机为冷源时，能够满足样品50～100nm的超低振动要求。
17.本发明的装置采用带自动控制机构的低温阀，通过调节低温阀的开度来调节液氦流量，实现样品与超导磁体间的冷量分配；超导磁体扫场产生热量，温度升高，低温阀开度调小，降低液氦流量，同时样品腔调小加热量，维持超导磁体与样品的温度稳定性。
18.本发明的装置中的样品腔静态氦气接口与氦气的充气接口通过管道连接，通过调节样品腔内的静态氦气压力，可以改变静态氦气的导热系数，从而控制样品与样品腔内壁的导热量；此外，换样时打开静态氦气充气阀进行吹扫，制冷机无需关停，能够实现样品的快速换样。
附图说明
19.附图1为本发明的超低振动顶端装卸型恒温器装置的结构示意图；附图2为本发明的超低振动顶端装卸型恒温器装置的减振技术路线图。
20.其中：1—制冷机；2—制冷机减振波纹管；3—制冷机腔体上段；4—制冷机一级换热器；5—制冷机腔体一级换热器；6—制冷机腔体下段；7—制冷机二级换热器；8—制冷机腔体二级换热器；9—制冷机腔体液氦出口；10—制冷机液氦管路；11—低温阀液氦入口；12—低温阀液氦出口；13—低温阀；14—低温阀一级热沉；15—低温阀二级热沉；16—低温阀液氦管路；17—样品腔；18—样品腔外管；19—样品腔内管；20—样品腔液氦入口；21—样品腔转接环；22—限流孔；23—样品腔换热器；24—样品腔底筒；25—样品腔一级热沉；26—样品腔二级热沉；27—样品腔静态氦气接口；28—样品腔循环氦气接口；29—样品杆；30—样品杆法兰；31—样品杆杆体；32—热辐射屏；33—样品杆固定板；34—样品腔减振波纹管；35—超导磁体；36—磁体吊杆；37—磁体引线；38—磁体引线一级热沉；39—磁体引线二级热沉；40—磁体引线穿真空接口；41—真空腔法兰；42—真空腔筒体；43—一级热辐射屏法兰；44—一级热辐射屏筒体；45—二级热辐射屏法兰；46—二级热辐射屏筒体；47—配重块一；48—配重块二；49—制冷机支架；50—支架减振器；51—外框架；52—真空腔筒体转接板；53—真空腔减振器；54—循环泵；55—循环氦气进气口；56—静态氦气充气阀；57—循环
氦气充气阀；58—充气接口；59—气浮光学平台；60—磁体导冷块。
具体实施方式
21.下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.参见图1，本实施例提供的一种超低振动顶端装卸恒温器装置，该装置包括一个gm制冷机1、恒温器腔体、低温阀13、安装有样品杆29的样品腔17，其中制冷机1安装于制冷机支架49上，制冷机支架49安装于外框架51上，恒温器腔体用于包覆装置的低温部分，隔绝其与外界环境的热交换，整体支于外框架51上；具体来说，恒温器腔体包括真空腔、一级热辐射屏腔体、二级热辐射屏腔体，二级热辐射屏腔体悬置在一级热辐射屏腔体内、一级热辐射屏腔体悬置在真空腔内，上述的真空腔由真空腔筒体42和覆盖在真空腔筒体42上的真空腔法兰41构成，在真空腔内设有一级热辐射屏法兰43和一级热辐射屏筒体44构成的一级热辐射屏腔体，在一级热辐射屏腔体内设有二级热辐射屏法兰45和二级热辐射屏筒体46构成的二级热辐射屏腔体；制冷机腔体包括位于真空腔法兰41和一级热辐射屏法兰43之间的制冷机腔体上段3、位于一级热辐射屏法兰43和二级热辐射屏法兰45之间的制冷机腔体下段6，一级热辐射屏法兰43上热藕接有制冷机腔体一级换热器5且二级热辐射屏法兰45上热藕接有制冷机腔体二级换热器8，制冷机腔体一级换热器5与其对应的制冷机一级换热器4采用无直接接触的环形对插式结构配置、且制冷机腔体二级换热器8与其对应的制冷机二级换热器7采用无直接接触的环形对插式结构配置，采用环形对插式结构的换热器通过氦气或液氦传递热量，无直接接触，隔绝了制冷机冷头处的振动传递。低温阀13的上端固定在真空腔法兰41上且低温阀13的自动控制机构安装在真空腔法兰41上，低温阀13依次通过低温阀一级热沉14与一级热辐射屏法兰43热藕接、通过低温阀二级热沉15和二级热辐射屏法兰45热藕接；样品腔17分别通过样品腔一级热沉25热耦接在一级热辐射屏法兰43上、样品腔二级热沉26热耦接在二级热辐射屏法兰45上；样品杆29悬于样品腔17内且样品杆29的末端直插入样品腔底筒24中部，并固定于装置最外侧的气浮光学平台59上；样品腔底筒24在二级热辐射屏筒体46内，在样品腔底筒24的外部可施加磁场等影响。
23.在制冷机腔体上设有循环氦气进气口55，循环氦气进气口55与带有循环泵54的氦气循环管相连；制冷机腔体下段6底部的制冷机腔体液氦出口9与低温阀13通过制冷机液氦管路10相连，低温阀液氦出口12与样品腔17相连，样品腔17上部的样品腔循环氦气接口28与氦气循环管相连。
24.进一步地说，在样品腔底筒24外围可安装超导磁体35，超导磁体35通过固定于真空腔法兰41上的磁体吊杆36悬于二级热辐射屏筒体46内，且与样品腔底筒24同心安装。超导磁体35冷却通过磁体导冷块60与二级热辐射屏法兰45热耦接实现，磁体引线37由超导磁体35侧面引出、依次穿过二级热辐射屏法兰45和一级热辐射屏法兰43、引至真空腔法兰41上的磁体引线穿真空接口40处；此外，磁体引线37分别通过磁体引线二级热沉39热耦接在二级热辐射屏法兰45上、磁体引线一级热沉38热耦接在一级热辐射屏法兰43上，以此减小漏热。
25.进一步地说，本发明的装置中氦气循环冷却样品的运行过程如下：氦气由循环氦气进气口55进入制冷机腔体上段3，与制冷机一级冷头换热，制冷机一级换热器4以循环氦气为导冷介质与制冷机腔体一级换热器5进行非接触换热，冷却一级热辐射屏法兰43及一级热辐射屏筒体44，同理可得制冷机二级冷头处的换热过程；循环氦气与制冷机二级冷头换热后液化，从制冷机腔体底部液氦出口9流出，沿制冷机液氦管路10进入低温阀13节流降温；节流后的氦为气液共存状态，共同由样品腔液氦入口20进入样品腔外管18与样品腔内管19形成的夹层腔中，液氦流入样品腔换热器23蒸发吸热冷却样品腔底筒24；样品腔17内通过样品腔静态氦气接口27充装有静态氦气，节流后的氦冷却样品腔内管19，样品腔内管19再通过静态氦气导冷冷却样品；换热后的氦气经夹层腔上部的样品腔循环氦气接口28被循环泵54抽出并加压，完成一个氦气循环。
26.进一步地说，本发明装置的换样过程如下：首先保证充气接口58与氦气储罐相连，并打开储气罐阀门；然后打开静态氦气充气阀56，保持一定正压；接下来，松开样品杆法兰30，向上抽出样品杆29，完成换样，此过程中始终有氦气吹扫，样品腔17内不会混入空气等杂质。由于样品腔17与循环氦气独立运行，因此换样过程无需停机。
27.由于参见图2，本实施例提供的一种超低振动顶端装卸恒温器装置，该装置的减振过程主要包括3个部分：制冷机1与恒温器腔体间的振动隔离、地面与恒温器腔体间的振动隔离、样品杆29与恒温器腔体间的振动隔离。具体为，一、制冷机与恒温器腔体间的振动隔离：制冷机1安装于制冷机支架49上，制冷机支架49通过支架减振器50支撑于外框架51上，降低了一部分振动；制冷机1与制冷机腔体上端3之间采用制冷机减振波纹管2连接，进一步降低振动；制冷机换热器与对应的制冷机腔体换热器采用环形对插式结构，通过氦气或液氦传递热量，无直接接触，隔绝了制冷机冷头处的振动传递。二、地面与恒温器腔体间的振动隔离：真空腔筒体42通过真空腔筒体转接板52以及真空腔减振器53支于外框架51上，隔绝了地面振动对恒温器腔体的影响。三、样品杆与恒温器腔体间的振动隔离：样品杆29上端带有样品杆法兰30，样品杆法兰30与固定于气浮光学平台59的样品杆固定板33相连，样品杆法兰30还通过样品腔减振波纹管34与样品腔17相连，隔绝了样品杆29与和恒温器腔体及地面间的振动传递。
28.此外，由于制冷机1的振动主要沿竖直方向，为避免在水平方向产生悬臂放大振动：故采用配重块调平，使装置质心在水平方向居中，然后调节真空腔减振器53高度设置，使其与质心高度一致，降低水平方向的振动；配重块增大了装置受迫振动的质量，可降低装置的振动幅度。
29.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。