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  • 低溫筆記-低溫實驗桌 2023-07-25

    本期作者總結一下以冷頭製冷的4K低溫實驗桌設計及操作經驗。

    外殼
    304不鏽鋼一般用作實驗桌外殼,包括頂部法蘭。因外部大氣壓內部真空,外殼的設計要符合壓力容器的標準。其壁厚需要校驗。此外,作為真空容器,外殼焊接部分應全部滿焊(氬弧焊),焊接完成後也需採用不同的方法探測焊接質量。頂部法蘭與外筒之間一般採用O圈密封,因此需保證接觸面加工的平面度與粗糙度。O圈有標準規格,設計法蘭時儘量選用標準O圈和O圈槽。外筒底部可以焊接萬向輪方便實驗桌轉移。

    頂部法蘭
    底部法蘭是各測量供電信號入口,抽真空口一般也置於頂部法蘭。抽真空口採用KF系列真空法蘭,配合真空卡箍連接真空泵,如果空間足夠,法蘭管應儘量做到粗而短以減小流阻。根據實驗桌目的留足CF真空法蘭口,配合標準航空插頭採集和接收信號。注意不同航空插頭的每一針都有限流,不要超過安全電流,弱電強電應置於不同的插頭。CF法蘭採用刀口配合銅圈的方式密封。另一個重要部件,冷頭,在頂部法蘭上所占位置也最大,一般也採用O圈密封。所有O圈密封面合上之前都要塗一層真空矽脂來提高密封性能。一般來講,一個加工良好的實驗桌外殼配合頂部,可以輕鬆抽到10-3Pa的真空。頂部法蘭上最好焊接四個吊耳,法蘭較重是可用行車來操作。

    冷屏
    冷屏與一級冷頭相連,因其沒有密封要求,只需要支撐自己不發生變形,其壁厚儘可能薄。通常選用鋁合金等材料,而上部與一級冷頭相連的用銅比較多。銅盤與一級冷頭接觸部分仍需塗抹低溫矽脂。一般也要保證冷屏遠離冷頭的底部溫度和頂部想差不大。整個冷屏外包裹多層絕熱,一般是幾十層,以數層一個單位分次包裹。因多層上部要穿過冷頭及信號線,包裹之前預留空隙,一般開十字口即可。

    供電及信號線
    從航空接頭引出的線,為未來的各種實驗做預留,因選用儘可能粗的銅線,AWG26一般比較合適。銅線下來,溫度傳感器的線要保證儘可能小的導熱,外面包裹特氟龍軟管磷青銅或猛銅的四絞線。信號線及供電線在每個溫區纏繞一定圈數,保證溫度梯度。溫度傳感器的熱沉也是需要的。

    低溫實驗桌的操作還需配套其他三個設備,真空泵,檢漏儀已經冷頭配套的壓機,後面出再一期。