多层绝热无液氮保护金属实验液氦杜瓦瓶的研制

我们就可以满意的完成输液氦过程；在杜瓦瓶贮存液氦后。这个铜屏的作用就是把铝箔和玻璃纤维纸吸收的热量更好的传到杜瓦瓶上端，被冷回气带走，不致造成多层结构有较大的纵向温差，因而降低了横向漏热，减小了液氦的蒸发，(三)，要求制作工艺简单.因此。本杜瓦瓶的外胆底，内胆底都是平板结构。此外，对内胆，铜防热辐射屏等不要求抛光处理，而在其表面上绕以喷铝涤纶薄膜，液氦杜瓦瓶的防热辐射的铝箔都固定在内胆上部的固定圈上.各固定圈的相对位置对液氦的蒸发量是有影响的.我们认为图1中的尺寸是较为理想的.多层结构的具休制作方法如下：先用液氮对各氩弧焊缝进行低温一室温冷热循环处理几次.再将内外胆装配进行压气和质谱检漏证明各焊缝不漏气后，将各固定圈按图1位置锡焊好.为了减少焊锡对内壁的热短路，焊锡不能用得太多，并尽量集中在每个固定圈与内胆的接触面上.为了减小搬动杜瓦瓶时内胆的晃动对内胆和上法兰间氩弧焊缝的影响，在内胆与上法兰的下端面连接处再用锡焊进行加固.这不但增加了内胆与上法兰间的机械强度，同时也可以有助于防止氩弧焊缝破裂时对夹层漏气.完成上述焊接后，在内胆底锡焊上活性碳槽，并装入处理好的活性碳，用铜纱网封口，用厚为6pm的喷铝涤纶薄膜包缠内胆下部约十层.上端包到第一固定圈，下端包住活性碳槽，然后包两层玻璃纤维纸，并在底部用小刀切几个供活性碳吸气的小口：然后再包一层厚约25pm的铝箔，并用1mm粗的铜线将其上端捆在第一个固定圈上，与这个固定圈等高剪去多余铝箔，其下端包住杜瓦瓶内胆底部.然后再包一层玻璃纤维纸，其上端用尼龙线捆在第一、第二固定圈之间的内胆壁上，用小钉将玻璃纤维纸与固定圈上小孔相对应处捅穿，再进行600-第二层铝箔安装.如此进行，直到包好第500七固定圈，再套上铜防热辐射屏，用与内胆40000相同方式在其上包上喷铝涤纶薄膜和玻璃纤维纸，再以前述方式相间包上铝箔和玻璃纤维纸.全部完成后在最外面包两层玻璃纤维纸和两层喷铝涤纶薄膜即完成多层结构的制作、200100完成上述工作后即可把内胆装人外胆中进行夹层的真空处理.一般认为夹层的真空好坏对液氦的蒸发量有着很大的影p200液氦杜瓦瓶液氦面高度与时间关系响。通常都用扩散泵对夹层进行长时间(多达几十天)的抽空处理.但我们认为由于夹层
中有着大量的玻璃纤维纸，即使经过长期的高真空抽气，但在停抽后由于其缓慢的放气，夹层也不会处于高真空状态.所以我们对夹层的真空处理非常简单.只用普通的机工抽机抽五小时左右，停一天，在内胆中装人热开水，再用机工抽机抽五小时左右就可以了.夹
层的真空完全靠内胆中灌人液氦后活性碳的吸附作用来达到、以后的实践证明、这样处理夹层真空方法完全能满足我们的要求.
图2是实测这个杜瓦瓶的液氦面高与时间的关系，其液氦的平均蒸发量是180毫升/
图3是个用于一般液氦实验的小型金属杜瓦瓶.其结构数据是：内胆口径为b120mm，高900mm，容积为10升，出厚0.5mm的不锈钢板卷成圆筒法兰后氩弧焊成.内胆的外底部焊有活性碳槽，内装有用来吸附夹层中剩余气体的活性碳.外胆由厚2mm的不锈钢板氩弧焊成，直径为d200mm，高1000mm.这个杜瓦瓶的多层结构采用两，内胆屏!_屏2个铜屏和喷铝涤纶薄膜组成.屏1是由厚1mm的紫铜板银焊制成，与内胆间隔为5mm，离顶部150mm锡焊在内胆上.屏2温度计多层材料 由厚50jm的紫铜箔锡焊制成，与内胆间隔为15mm，离顶部100mm锡焊在内胆上.在屏1和屏2上分别包有25层和35层
外胆喷铝涤纶薄膜、为了观测各屏的温度变化，如图3所示，在屏1活性碳槽和屏2上各放有三个铜-康铜热电偶温度计，在喷铝涤纶薄膜内也放有两个钢-康铜热电偶温度计，外胆与内胆法兰采用锡焊密封.如前所述，多层绝热结构的热传播是复杂的，是固体传热和
辐射传热的混合结果.喷铝涤纶薄膜包的太紧，层数太多，则增加了横向固体传导漏热；反之，又增加了辐射漏热.我们采用了图3中120杜瓦瓶结构示意图25层/cm左右的松紧度.此外，由于固体传热与温度差一次方成正比，辐射传热和温度高次方成正比，故对较外层部份，后者起主要作用.所以我们把喷铝涤纶薄膜尽量包的内松外紧，使在一定的夹层厚度情况下，取A AN-250得最好的绝热效果.实验结果表明本杜瓦瓶的蒸发量为~7170毫升/小时—230毫升/小吋.夹层中铜屏及多层材料的温度分布情况如图4所示，屏1的温度在输液氦后逐渐下降到最低温度(~100K)，又开始升温。平衡时约为130K.屏2的温度分别约为190K，215K，235K，顶底温差高达45K，说明采用50pm的铜箔作屏2太薄了.多层材料中的温度约为260K，最外中120杜瓦瓶的多层结构的温度，液氨面高度与时间的关系层的温度是室温.在本实验中，内胆上部加有一个直径为p110mm，高为100mm的塑料塞子.以后的实验表明，如再增加一个塞子，可使屏2的各点温度下降约15K.除上述杜瓦瓶外，我们还按照图1杜瓦瓶的多层结构方式制作了口径为dl20mm，中150mm的金属实验液氦杜瓦瓶.中120的杜瓦瓶内胆由壁厚为0.3mm的不锈钢板卷绕氩弧焊成，长900mm，容积为上面5个的间距为32mm，下面5个的间隔为4010升.在其上部锡焊有固定圈10个.mm.考虑到这个杜瓦瓶较短，放在多层结构中未加防热辐射铜屏.实验证明这并不增加预冷时间.测量结果，这个杜瓦瓶的平均蒸发量为100毫升/小时好一倍.中150的杜瓦瓶是为温度计标定，比热测量这样--些需要较长工作时间的实验而设计的。其内胆由壁厚0.mm的无缝不锈钢管制成，长1500mm.在内胆上端锡焊有11个固定圈.固定圈的间距为40mm，第11固定圈离顶部距离为100mm，第七固定圈是为固定铜屏所用，其与第6固定圈的距离为70mm，铜屏由厚0.5mm的铜板卷焊制成，直径为b200mm，长1290mm，固定在第七固定圈上.外胆由厚2mm的不锈钢板氩弧焊成，直径外胆与内胆之间也采用法兰联接和真空橡皮圈密封.这个杜为中290mm，长1640mm，瓦瓶的平均蒸发量为120毫升/小时，灌满一次液氦后可以进行四天左右的实验.
三、讨论
实验用金属液氦杜瓦瓶采用多层结构后，可以不再需要液氮保护.由于其工艺简单。体积小，重量轻和使用维修方便等优点，很值得推广.在制作和性能测试中，我们有下面几点体会.
(1)多层结构有各种不同方式，但以铝箔和玻璃纤维纸相间组成为最好.如内胆较长，在多层结构中加一个铜屏不但可以缩小铝箔上下温差，而且可以缩短杜瓦瓶的预冷时间.
(2)液氦的蒸发量与铝箔的层数及其上部固定圈的相对位置有关，与铜屏的位置也有关系，而与真空夹层的处理方式关系不大，所以我们在每个杜瓦瓶安装好后，仅用普通机工抽机抽空后都能得到良好的使用效果.
(3)如在内胆的上部放置几个厚约100mm，直径比内胆小~10mm的塑料塞子，迫使蒸发的冷氦气沿内胆壁流动，可以更充分地利用氦回气冷量，减小铜屏温度，因而降低了液氦的蒸发量.
(4)在图3所示杜瓦瓶中，屏1的温度偏高，如果把屏1的位置降低50一100mm，估计可达液氮温度，可以起到更好的绝热作用.屏2的顶底部温差高达~45K，说明用50pm厚的铜箔作屏不能起到良好的传热作用，必须适当加厚.
(5)我们认为在如图1的液氦杜瓦瓶中，在紧邻内胆处再加上如图3杜瓦瓶的屏1装置，可以更好的降低液氦蒸发量.