多層絕熱無(wú)液氮保護金屬實(shí)驗液氦杜瓦瓶的研制

由我們研制的幾種杜瓦瓶表明，將多層絕熱結構應用于低溫液氨實(shí)驗杜瓦瓶，代替液氮保護，可以得到良好的效果.我們研制的口徑為中120mm、中150mm、中200min， 內膽容積分別為10升、27升、38升，用鋁箔和玻璃纖維紙作多層絕熱結構的液氦杜瓦瓶液氦平均蒸發(fā)率分別為100毫升/小時(shí)、120毫升/小時(shí)、180毫升/小時(shí)，適于低溫實(shí)驗室推廣使用.另一個(gè)口徑為中120mm，內膽容積為10升，用噴鋁滌綸薄膜和兩個(gè)銅屏作多層絕熱結構的液氨實(shí)驗杜瓦瓶已使用六年，液氨蒸發(fā)率小于200毫升/小時(shí)，在該杜瓦瓶夾層中放有八個(gè)銅-康銅熱偶溫度計，提供了有關(guān)屏溫分布的參考數據.
引言
一^、由于玻璃杜瓦瓶受容積、形狀等因素的限制及其易破碎的弱點(diǎn)，在低溫實(shí)驗室中，它勢必大部分要被金屬杜瓦瓶所代替.一般杜瓦瓶是一個(gè)雙壁容器，壁面鍍銀或拋光，夾層抽成高真空以盡量減少輻射漏熱和氣體傳導漏熱的影響，而液氦杜瓦瓶，由于液氦的蒸發(fā)潛熱特別小，因此，對絕熱要求特別嚴格.否則達不到保存液氦的要求.十年前的金屬液氦容器常采用高真空絕熱并加液氮保護，使對內壁的熱輻射由室溫減到液氮溫度.由于要加液氮容器，不但使得其結構和制作工藝復雜，增加了容器的重量和體積，并且在使用時(shí)要經(jīng)常注入液氮而十分不方便.六十年代，國外采用了多層絕熱結構無(wú)液氮保護的液氫貯槽，充分利用了液氦冷回氣來(lái)冷卻多層結構代替液氮保護，使得液氦的日蒸發(fā)量只有1%左右.代替液氮保護的多層結構可采用多層噴鋁滌綸薄膜或鋁箔和絕熱材料等方式做成。如果多層結構的橫向熱阻盡可能大，縱向熱導盡可能好，就能把其吸收的輻射熱盡可能的傳到杜瓦瓶上端，被蒸發(fā)的冷回氣帶走而不至于橫向傳到杜瓦瓶的下端，造成液氦的大量蒸發(fā).一般說(shuō)來(lái)，實(shí)驗用的金屬液氦杜瓦瓶做得比較長(cháng)，因而無(wú)論是噴鋁滌綸薄膜或鋁箔結構，其縱向熱阻都較大，可造成杜瓦瓶底部與頸部有近的溫差.同一原因，也可能使杜瓦瓶的預冷時(shí)間較長(cháng).杜瓦瓶的使用情況不同于貯槽.貯槽在較長(cháng)的預冷時(shí)間后可以處于貯存液體的低溫狀態(tài)，故并不帶來(lái)多少不便之處；對實(shí)驗用的杜瓦瓶，僅在實(shí)驗時(shí)才貯存氦液.因此，頻繁的需要從室溫很快地冷到低溫.較長(cháng)的預冷時(shí)間就會(huì )帶來(lái)很多不便.因而如何減小多層結構的縱向溫差，縮短預冷時(shí)間，使多層結構能用在實(shí)驗杜瓦瓶上代替液氮的保護作用，是一個(gè)很值得研究的問(wèn)題.根據工作的需要，近年來(lái)我們研制了幾種實(shí)驗用金屬液氦杜瓦瓶，使用情況表明效果良好.
二、結構和實(shí)驗結果
圖1足采用鋁箔和玻璃纖維紙絕熱材料作多層結構的金屬液氦杜瓦瓶.這個(gè)杜瓦瓶?jì)饶懛ㄌm是為配合超導磁體的使用而研制的，故口徑較大.它一密封橡皮圈一外膽法蘭由內膽(由壁厚0.5mm，直徑中200mm，長(cháng)1200mm的哈通無(wú)縫鋼管制作.)，外膽(由厚2mm，長(cháng)1300mm的_抽氣不銹鋼板卷繞氬弧焊成，直徑310mm.)，內膽底(由厚10mm的不銹鋼板做成.)，外膽底(由厚14mm的不銹鋼板做成)，內膽法蘭和外膽法蘭(由厚12mm的不銹一真空表接口KL**定調銀焊做成，直徑d260mm，長(cháng)1000mm.)，固定圈(由厚
5mm紫銅板車(chē)成，其上打有中6抽氣孔24個(gè))，密封橡皮圈，可拆卸閥抽氣口，真空表接口等部分組成.在設計這一杜瓦瓶時(shí)，我們特別考慮了下面三個(gè)問(wèn)題：(一)，要求拆卸、維修和檢漏方便.國外使用的金屬杜瓦瓶和貯槽很多是把內外膽氬弧焊接、如一旦發(fā)生夾層漏氣，則必須把外膽鋸開(kāi)才能維修，使得維修極不方便.也曾有人改用法蘭連接，用金屬圈(金、銀內-銅外二二.內膽底一活性碳-外膽底p200杜瓦瓶結構示意圖或無(wú)氧銅圈等)作為密封圈，這又增加了維修費用.在設計本杜瓦瓶時(shí)，我們把內外膽改用法蘭連接，用真空橡皮圈作為密封圈.以后的實(shí)踐證明，只要上下法蘭與橡皮圈配合得好，即使在*快輸液情況下，也是安全可靠的.此外，為了防止長(cháng)時(shí)間微量漏氣造成夾層真空度不好，我們在該杜瓦瓶上采用了可拆卸閥抽氣口裝置來(lái)代替錫管密封，因而可以方便地對夾層進(jìn)行抽空處理.經(jīng)過(guò)上述考慮后，使得本杜瓦瓶在檢漏和拆卸修理時(shí)非常簡(jiǎn)單方便.
(二)，減小縱向溫差和預冷時(shí)間.我們采用厚約25pm的鋁箔作防熱輻射屏，其熱導雖然比噴鋁滌綸薄膜好很多，但由下述圖3的杜瓦瓶的銅屏溫度分布的測量可知，只用這種鋁箔作多層結構仍可能造成較大的縱向溫差.為此我們在第八固定圈上裝有厚為1mm的銅防熱輻射屏.它的作用有兩方面：當杜瓦瓶進(jìn)行預冷吋，只要灌入的液氮面高到這個(gè)固定圈附近，銅屏就能達到液氮的溫度，這就大大加快了多層結構的鋁箔和玻璃纖維紙的冷卻速度，縮短了預冷時(shí)間.實(shí)驗證明，只要在輸液氦前八小時(shí)左右進(jìn)行預冷，