多層絕熱無液氮保護(hù)金屬實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)應(yīng)用于低溫液氨實(shí)驗(yàn)杜瓦瓶，代替液氮保護(hù)，可以得到良好的效果.我們研制的口徑為中120mm、中150mm、中200min， 內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yàn)室推廣使用.另一個(gè)口徑為中120mm，內(nèi)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(jié)構(gòu)的液氨實(shí)驗(yàn)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(jì)，提供了有關(guān)屏溫分布的參考數(shù)據(jù).
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(yàn)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(dǎo)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(yán)格.否則達(dá)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(hù)，使對內(nèi)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(jié)構(gòu)和制作工藝復(fù)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(jié)構(gòu)無液氮保護(hù)的液氫貯槽，充分利用了液氦冷回氣來冷卻多層結(jié)構(gòu)代替液氮保護(hù)，使得液氦的日蒸發(fā)量只有1%左右.代替液氮保護(hù)的多層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的橫向熱阻盡可能大，縱向熱導(dǎo)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).一般說來，實(shí)驗(yàn)用的金屬液氦杜瓦瓶做得比較長，因而無論是噴鋁滌綸薄膜或鋁箔結(jié)構(gòu)，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(yù)冷時(shí)間較長.杜瓦瓶的使用情況不同于貯槽.貯槽在較長的預(yù)冷時(shí)間后可以處于貯存液體的低溫狀態(tài)，故并不帶來多少不便之處；對實(shí)驗(yàn)用的杜瓦瓶，僅在實(shí)驗(yàn)時(shí)才貯存氦液.因此，頻繁的需要從室溫很快地冷到低溫.較長的預(yù)冷時(shí)間就會帶來很多不便.因而如何減小多層結(jié)構(gòu)的縱向溫差，縮短預(yù)冷時(shí)間，使多層結(jié)構(gòu)能用在實(shí)驗(yàn)杜瓦瓶上代替液氮的保護(hù)作用，是一個(gè)很值得研究的問題.根據(jù)工作的需要，近年來我們研制了幾種實(shí)驗(yàn)用金屬液氦杜瓦瓶，使用情況表明效果良好.
二、結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖1足采用鋁箔和玻璃纖維紙絕熱材料作多層結(jié)構(gòu)的金屬液氦杜瓦瓶.這個(gè)杜瓦瓶內(nèi)膽法蘭是為配合超導(dǎo)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(nèi)膽(由壁厚0.5mm，直徑中200mm，長1200mm的哈通無縫鋼管制作.)，外膽(由厚2mm，長1300mm的_抽氣不銹鋼板卷繞氬弧焊成，直徑310mm.)，內(nèi)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(nèi)膽法蘭和外膽法蘭(由厚12mm的不銹一真空表接口KL**定調(diào)銀焊做成，直徑d260mm，長1000mm.)，固定圈(由厚
5mm紫銅板車成，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(shè)計(jì)這一杜瓦瓶時(shí)，我們特別考慮了下面三個(gè)問題：(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(nèi)外膽氬弧焊接、如一旦發(fā)生夾層漏氣，則必須把外膽鋸開才能維修，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(nèi)-銅外二二.內(nèi)膽底一活性碳-外膽底p200杜瓦瓶結(jié)構(gòu)示意圖或無氧銅圈等)作為密封圈，這又增加了維修費(fèi)用.在設(shè)計(jì)本杜瓦瓶時(shí)，我們把內(nèi)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)過上述考慮后，使得本杜瓦瓶在檢漏和拆卸修理時(shí)非常簡單方便.
(二)，減小縱向溫差和預(yù)冷時(shí)間.我們采用厚約25pm的鋁箔作防熱輻射屏，其熱導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dāng)杜瓦瓶進(jìn)行預(yù)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(dá)到液氮的溫度，這就大大加快了多層結(jié)構(gòu)的鋁箔和玻璃纖維紙的冷卻速度，縮短了預(yù)冷時(shí)間.實(shí)驗(yàn)證明，只要在輸液氦前八小時(shí)左右進(jìn)行預(yù)冷，