用于空间BIB探测器的0.3 W@4.2 K大冷量轻量化低温系统

大阵列BIB探测器由于其高量子效率和低暗电流而成为广泛的研究对象,特别是在空间应用方向。如2021年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜,它已经进行了许多重要的天文观测。一个稳定、高效、轻量化的液氦温区低温系统对BIB探测器的运行至关重要。氦节流制冷机可取代传统的大容积液氦杜瓦,能满足空间液氦温区的制冷要求。为了同时提高4.2 K的制冷量并减轻重量,提出了一种0.3 W@4.2 K的大冷量轻量化的4.2K低温制冷系统。并且在现有0.1 W@4.1 K制冷量的低温系统上进行实验,验证了该系统的设计方法。在不同的冷却温度区采用不同的冷却方法,以实现冷却的高效性和轻便性。开发了一个新的集成斯特林制冷机,在80 K时提供高效的一级预冷,制冷量为15 W,重量仅为4.5 kg;二级预冷采用主动活塞调相的15 K脉管制冷机,制冷量为0.9 W。此多级低温制冷系统通过耦合氦气JT循环,可以在4.2 K时提供0.3 W的制冷量,输入功低于1.8 kW。此系统将为正在快速发展的红外天文观测所需的空间BIB探测器提供保障。

液氢温区热耦合斯特林/脉管小型化复合制冷机性能提升及参数优化研究

脉管制冷机冷端温度低至液氢温区时,往往需要采用两级结构,其中预冷级是影响整机效率的关键之一。本文针对15 K两级脉管制冷机应用需求,选用单级气动斯特林制冷机为第二级脉管制冷机提供预冷,通过模拟仿真研究了气动斯特林制冷机机械刚度和推移杆直径的影响,提高80 K单级斯特林制冷机的设计比卡诺效率(计算制冷量/PV功)至37.4%。实验验证了单级斯特林制冷机的预冷能力,斯特林/脉管热耦合两级制冷机在15 K可获得制冷量1.12 W,各级总输入电功为357 W,相对于单级脉管制冷机预冷时消耗电功减少30 W,整机比卡诺效率提升至5.96%。对预冷温度开展实验研究,验证了第二级脉管所需最佳预冷温度,冷端在15 K获得0.6 W时的预冷温度实验最优值在90 K附近。