高灵敏度太赫兹探测模块低温杜瓦设计及力热特性研究

高灵敏度太赫兹探测模块(High Sensitivity Terahertz Detection Module,HSTDM)是中国空间站巡天望远镜的科学载荷之一,主要开展太赫兹天文观测任务.该模块的核心是工作在10 K温区的氮化铌超导隧道结(Superconductor-Insulator-Superconductor,SIS)混频器,其低温制冷条件由满足空间应用的两级脉冲管制冷机提供.能最大限度减小制冷机热负载的低温杜瓦是实现这一空间10 K温区制冷环境的关键部件,且需要适应火箭发射力学振动环境.主要介绍了这一专用低温杜瓦的结构设计、力学特性仿真分析与试验测试以及热特性仿真分析.低温杜瓦的基频为189.36 Hz,力学分析结果表明内部支撑结构最大应力小于材料的屈服应力,振动试验结果表明低温杜瓦结构能够适应力学环境.低温杜瓦内部结构对制冷机一级冷端的漏热量为1800 mW,对二级冷端的漏热量为20.6 mW,均小于制冷机的制冷量,热分析结果表明低温杜瓦支撑结构的热设计满足隔热要求.力热特性研究结果表明该低温杜瓦设计能够满足太赫兹探测模块的空间应用需求.

亚毫米波接收机低温杜瓦设计及力学特性分析

低温接收机是亚毫米天文望远镜的探测终端,用于接收宇宙中极微弱的亚毫米波信号,推动早期宇宙、遥远星系,及星系形成和演化等方面的研究.亚毫米波谱线接收机的核心探测器件采用超导混频器,GM二级制冷机为其提供4 K低温工作环境.为了保证望远镜工作时的指向精度,探测器平台允许的最大形变量需低于300μm.接收机的主体为低温杜瓦,其一级和二级支撑结构分别选用了高强度的GFRP(glass fiber reinforced plastics)和CFRP(carbon fiber reinforced plastics)材料.分析结果表明,在望远镜俯仰角0°~90°范围内,探测器平台的最大位移量均低于100μm,满足实际应用需求.

低温超导磁体杜瓦装置的结构设计与传热分析

介绍了低温超导磁体杜瓦装置的结构设计和传热分析。为了获得有效的超导磁体运行的低温环境,研制了一套采用真空多层绝热、铜辐射冷屏、蛇形排气管结构形式的绝热系统,省去了传统的在内杜瓦外面添加液氮屏的结构,简化了工艺结构,操作方便,绝热效果良好。通过传热理论计算表明,液氦的损耗量小于技术要求的0.9 L/h指标,能够保证超导磁体系统能够在一定的低温环境下长时间的运行。

HT-7U超导托卡马克装置低温杜瓦的真空问题

分析了HT-7U大型全超导托卡马克装置低温杜瓦内的真空状况,对影响真空指标至关重要的磁体主机氦泄漏漏率作了计算,介绍了在试验杜瓦成功实现超导磁体正常运行的真空调试与检漏实践。

空间低温杜瓦瓶凯夫拉支撑结构多约束优化设计

采用新型凯夫拉纤维作为某空间用小型低温杜瓦瓶的支撑材料,在验证其力学性能的基础上,设计了杜瓦瓶的支撑结构,建立了一种新的热力学耦合优化模型,给出支撑结构固有频率、热应力及发射环境下的约束条件,通过一种'离散点加密'新约束优化法计算出了支撑结构满足约束条件范围内的要求的最优设计参数。

低温杜瓦装置的结构设计与传热分析

为了获得有效的超导磁体运行的低温环境,文中介绍了低温超导磁体杜瓦装置的结构设计和传热分析,研制了一套采用真空多层绝热、铜辐射冷屏、蛇形排气管结构形式的绝热系统。通过传热理论计算表明,液氦的损耗量小于技术要求的0.9L/h指标,能够保证超导磁体系统能够在一定的低温环境下长时间的运行。

非金属低温杜瓦装置的研制

报道了一种非金属杜瓦装置的研制,以满足高温超导磁悬浮车系统对液氮低温容器的要求。这种长方体低温容器采用无磁非金属材料制备,从而可以避免由涡流导致的阻力和热损耗,以及由磁性导致的吸引力等不利于高温超导磁悬浮车系统的影响。容器的液氮损耗率为0.55L/h。综合性能测试表明,该非金属杜瓦可以作为高温超导磁浮车低温容器的理想选择之一。

ESR谱仪低温杜瓦瓶的研制及其在矿物学研究中的应用

文章介绍了ESR谱仪低温杜瓦瓶的研制原理和方法以及应用它在液氮温度下研究孔雀石中的Cu2 + 和天然刚玉中Ti3 + 存在形式的实验结果。

100kJ高温超导磁储能系统的低温杜瓦设计

为了满足高温超导磁储能系统77K以下的低温工作环境,以及长途运输磁体的稳定性,根据杜瓦设计的各项指标,通过工程计算设计了超导磁体的低温杜瓦结构和支撑结构,满足了其密封环境要求、支撑强度要求及漏热要求,为低温杜瓦的制作提供技术指导。

低温液位测量装置研制

该文设计了用于测量低温液位的微型探针。该探针安装于由微型步进电机驱动的机械传动导杆上,组成低温液位的连续自动测量装置。该装置可用于低温杜瓦和其它低温液体储存装置的液位测量与控制,探针有效行程100—1000mm,测量误差小于1mm,并具有参数存储、显示、远程传输、网络连接与控制等功能。

超导SIS混频器空间应用发射锁定机构热胀特性测量研究

高灵敏度太赫兹探测模块(High Sensitivity Terahertz Detection Module,HSTDM)是中国空间巡天望远镜--巡天光学设施的后端模块之一,其核心探测器采用可工作于10K温区的氮化铌超导SIS(Superconductor Insulator Superconductor)混频器.超导SIS混频前端的锁定机构在力学和热学方面需相应的特殊设计,以应对发射阶段的力学振动以及工作运行阶段的隔热要求.为了确认在80K温区锁定机构与混频器前端有效分离,针对超导SIS混频前端发射锁定机构所用特氟龙材料热胀特性,开展基于低温LVDT(Linear Variable Differential Transformer)测量和标记划痕法测量以及两种测量方法交叉验证.LVDT实验测量结果表明特氟龙材料收缩率随温度变化与理论模型基本一致,在80K测得材料收缩率为1.86%.据此分析,超导SIS混频前端锁定机构在\lk 80K温度下可与10K冷级的超导SIS混频前端实现有效分离.

75m三相交流高温超导电缆的研制

成功研制的75m长10.5kV/1.5kA三相交流高温超导电缆是目前世界上少数几组并入实际电网试验运行的三相交流高温超导电缆之一。超导电缆芯采用均流方法设计,在自主开发的专用绕线机上绕制;低温杜瓦管采用柔性波纹管和真空绝热结构;电缆的绝缘设计和加工实现了与常规电缆电绝缘工艺的兼容;低温制冷系统采用减压降温方式;在线监测系统采用光-电转换技术实现高电压隔离。该超导电缆的交流载流能力大于3500A,自2004年12月起,已累计在配电网中运行达7000h。

10kA高温超导电缆系统绝缘

为确定10kA直流高温超导电缆(10kA超导电缆)本体和测控系统绝缘水平,讨论了其本体结构特点和电场分布特点以及绝缘水平的影响因素;对Pt100型铂电阻温度传感器进行了耐压、耐流试验;构建了由模型电缆和模拟测控回路组成的系统并对其进行耐压试验。结果表明温度传感器在5kV情况下耐压情况良好,但较大电流容易导致其损坏;高压下普通密封转换端子外壳对温度传感器针脚放电并导致传感器损坏,需设计专用密封端子。研究认为10kA超导电缆本体绝缘设计需适当提高绝缘耐压水平,测控系统浮电位设计满足10kA超导电缆工作状态下的测控需要,但测控系统绝缘设计中需防止产生因高压产生的局部放电电流加载于测量回路,10kA超导电缆系统集成后进行的系统耐压测试表明其绝缘系统满足运行要求。

10kA超导直流输电电缆系统损耗特性研究

超导电力技术具有诸多优势和良好的应用前景,世界范围内已完成多个超导电力装置的研发和示范应用。一根360m/10kA高温超导直流输电电缆(10kA超导电缆)的研制已经完成并成功实现并网示范运行。文中介绍了10kA超导电缆主要结构参数,讨论了超导电缆损耗源,重点分析了10kA超导电缆终端、低温杜瓦管和通电导体的损耗情况,终端电流引线是超导电缆热损耗最主要来源。10kA稳态运行条件下的损耗测试情况表明,低温液氮闭合循环系统满足10kA超导电缆冷却要求,其自身低温损耗为1600W左右,与分析结论基本吻合。

多波段冷光学红外成像终端研制

针对目前地基空间探测红外成像系统对高灵敏度、高探测能力及信噪比的要求,对地基冷光学红外成像技术进行了研究,包括红外杜瓦冷却系统内部辐射抑制、系统终端快速制冷、低温红外探测器的研制、低温冷光学系统设计装调等关键技术。在各项系统技术突破的基础上,研制出一套相对孔径1:10、分辨率320×256、兼容中波3~5μm和长波8~10μm波段的冷光学红外成像终端。系统终端实现制冷温度最低至42 K,真空度10^(-5)Pa量级。将终端与1.23 m口径地基望远镜对接,对月亮和红外标准星观测具有良好的成像效果。该系统的研究为地基大口径冷光学红外探测技术提供参考。

12T/70mm高场超导磁体及其低漏热杜瓦装置研制

中国科学院强磁场科学中心研制出一套中心孔径70 mm、中心场强达12 T的超导磁体系统,该系统与扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy,简称STM)设备相结合,为测试样品提供低温、高场的环境。该超导主磁体是由内外同轴的两个线圈组合而成。内部为Nb3 Sn线圈而外部为NbTi线圈,它们分别在4.2 K的温度下可提供5.32 T和6.68 T中心磁场强度。此外,该系统的低温杜瓦通过优化设计和结构改进,液氦温区的漏热为0.178 W,满足了用户超低漏热要求。

低温超导体小型力学实验设备的研制

基于超导线材的研究及应用需求,为进一步探索其物理机理及推进其工程应用,设计研制了一套用于超导材料在力-电-磁-热耦合作用下,其临界电流衰减规律的测试设备。该设备可实现在10~300K、0~600A、1000N、0~5T范围内的超导材料性能测试。

数字·科技

目前世界上传输电流最大的高温超导电缆在我国研制成功。该电缆由中科院电工所与河南中孚公司等单位联合研制。它长达360米，载流能力达到10千安。突破了一系列关键技术，形成了系列化自主知识产权。针对超导电缆低温杜瓦管加工长度有限的问题，首次提出了“分段设计、插接集成”的思路和技术方案，

氨解决方案

这种无色燃料燃烧时不排放二氧化碳。它丰富且常见,而且可以利用可再生的电力、水和空气来制造。然料电池和内燃机都可以使用它。它与氢不同,不需要储存在高压罐或低温杜瓦瓶中。它的能量密度是锂离子电池的10倍。