硅冷卻臂液氫溫區(qū)控溫及熱傳導(dǎo)特性研究.pdf

1、慣性約束聚變反應(yīng)對(duì)低溫冷凍靶的均勻一致性有著很高的要求,特別是需要嚴(yán)格控制靶丸內(nèi)部燃料固態(tài)層內(nèi)表面的粗糙度。而靶丸的制備與保存必須提供穩(wěn)定的液氫溫區(qū)附近的低溫環(huán)境;同時(shí),為了監(jiān)測靶丸的質(zhì)量,設(shè)置了成像診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)要求目標(biāo)溫度波動(dòng)在1 mK以內(nèi)。燃料靶丸所在的空腔由硅冷卻臂夾持,采用硅作為冷卻臂材料的主要原因是它在低溫下具有極高的熱導(dǎo)率,冷量經(jīng)由硅冷卻臂的傳遞速度非?？?易于對(duì)空腔溫度進(jìn)行精確控制。 綜合以上要求,本課題搭建了一

2、套工作于液氫溫區(qū)的低溫系統(tǒng),以硅冷卻臂為研究對(duì)象,研究硅冷卻臂上實(shí)現(xiàn)波動(dòng)度在1 mK以內(nèi)的溫度控制的方法以及硅冷卻臂在系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo)性能。
　　首先,本文工作采用簡化后的硅片結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,為其設(shè)計(jì)并搭建了一套液氫溫區(qū)控溫及熱傳導(dǎo)特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。包括真空腔、樣品座及夾具的設(shè)計(jì)與加工制造,冷屏與多層絕熱的制作與布置,制冷機(jī)、真空機(jī)組的選型與連接等。另外,該系統(tǒng)中還包含專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),基于LabVIEW圖形化編程軟件,對(duì)系統(tǒng)中所使

3、用的控溫儀、溫度巡檢儀、數(shù)據(jù)采集儀等的控制與數(shù)據(jù)讀取整合至一個(gè)LabVIEW程序內(nèi),進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取與儲(chǔ)存。
　　溫度是本課題最主要的測量對(duì)象,本文工作為此購置了一批溫度傳感器。由于傳感器數(shù)量較多,并非所有的溫度計(jì)都有標(biāo)定數(shù)據(jù),因此在實(shí)驗(yàn)開始前需對(duì)每一支溫度計(jì)進(jìn)行細(xì)致的標(biāo)定。為此,在搭好的同一實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上,額外設(shè)計(jì)與加工了一個(gè)方便布置大量溫度計(jì)的樣品座,專門用于溫度計(jì)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn),不僅成功對(duì)所有溫度計(jì)進(jìn)行了標(biāo)定以滿

4、足使用要求,同時(shí)也對(duì)各類溫度計(jì)的特性及適用溫區(qū)有了較好的總結(jié)。
　　在對(duì)硅片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前,本文先對(duì)樣品座上的控溫效果進(jìn)行了研究,以對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自身的控溫性能進(jìn)行分析與優(yōu)化。所選取的控溫對(duì)象是用于與硅片連接的樣品座熱沉,考察的影響控溫效果的因素包括溫度計(jì)自身的激勵(lì)、控溫的方式、樣品座的熱容大小以及是否增加二級(jí)冷屏。通過大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn),比較了各個(gè)因素對(duì)溫度控制中抑制波動(dòng)度的貢獻(xiàn),并最終找到了優(yōu)化系統(tǒng)控溫效果的有效方案。
　　硅冷卻