液氦储罐高真空多层绝热结构影响研究

为了明确液氦储罐真空多层绝热结构的最佳层密度,采用Lockheed模型研究热流密度与层密度的关系,确定最佳层密度,探讨绝热层厚度、环境温度、绝热空间真空度对液氦储罐绝热性能的影响。研究结果表明:液氦储罐最佳层密度为41层/cm;绝热层真空度减小,热流密度下降,真空度下降到一定值后,热流密度几乎不再下降;热流密度与环境温度、绝热层厚度分别呈正、负相关,当厚度增加到一定值后,热流密度下降速率减小。在实际确定绝热层厚度和真空度时,应兼顾经济性和绝热性能。研究结果可为液氦储罐高真空多层绝热结构的设计提供参考。

4~5 K铟片填充下无氧铜材料接触热阻实验研究

在陆续开展的深空探测任务中,高精度光学探测设备需要长期稳定的深低温工作环境。传热界面由于传热介质的热阻而存在一定的传热温差,为确保设备的工作环境,避免探测效率下降、精度下降和噪声干扰增加等严重后果,对无氧铜和不锈钢两种深低温温区常用的固体导热材料的界面接触热阻进行了实验测试。在真空、4~5.2 K、压力为3 077 N、铟片为填充物的条件下,测量了粗糙度为Ra=3.2的不锈钢-无氧铜接触热阻。结果表明:无氧铜界面间接触热阻在10^(-5)~10^(-4) m^(2)·K/W量级,且随温度的升高和粗糙度的减小而减小;无氧铜和不锈钢间的接触热阻在10^(-2) m^(2)·K/W量级。

液氦液氢截止阀的有限元分析与优化设计

液氦液氢截止阀采用环氧玻璃钢材料进行结构优化,拟达到减少漏热并保持传动强度不受影响。然后采用有限元仿真针对优化前后的液氦液氢截止阀进行传热分析和应力分析。研究优化前后的阀体、长颈管、阀杆、环氧玻璃钢等部件的温度和应力在超低温下的分布情况。结果表明:长颈管、阀杆管和环氧玻璃钢等部件均存在较大的温度梯度,但是,优化后的液氦液氢截止阀不仅漏热显著下降,同时,承压强度、变形等参数也均能满足设计要求。

基于双喷射雾化的浆氢制备及可视化研究

采用冻结-融化法或螺旋推进法制备浆氢时,需要使用搅拌器或切削器等动设备,将不可避免地产生漏热进而影响浆氢的状态。为满足未来的浆氢规模化制备需求,提出了一种基于双喷射雾化的新型浆氢制备方法,并搭建了特定的综合实验系统,对浆氢的制备、存储、输运及形貌特性进行研究。结果表明,基于双喷射雾化的实验系统成功制备了体积约为50 L的浆氢,固氢含量最高为50%,并且浆氢呈现出较好的存储和输运特性;同时,通过可视化装置观测到浆氢的粘性明显高于液氢,且内部含有较多颗粒均匀的固氢颗粒,能够对波长较短的蓝光进行有效折射,证明了基于双喷射雾化的新型制备方法在高质量浆氢制备领域的应用潜力。

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。

面向机载平台的小型超导单光子探测系统

面对宽幅地形测绘和空基大气测量等应用的需求,迫切需要发展能够适应机载平台的低功耗的小型化单光子探测系统.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因性能优异,已被应用到量子信息、深空通信和远程激光雷达等领域.然而,常规SNSPD所需低温系统的体积和重量均较大,不易于应用到机载平台.截至目前,国际上还未出现应用于机载平台的SNSPD的相关报道.本文设计并制备了工作温度为4.2 K的SNSPD.超导探测器芯片是光敏面积为60 μm×60 μm的四通道光子数可分辨器件,通过光束压缩系统耦合到直径200 μm的光纤,在温度为4.2 K时量子效率大于50%@1064 nm.最后,测试了单个通道的时间特性,在不同光子数响应的情况下得到了不同的时间抖动,其中四光子响应时的时间抖动最小,半高宽为110 ps.该工作不仅可支撑机载应用,而且对于推动发展通用的小型化SNSPD系统及其应用具有积极意义.

页岩储层孔隙度测定方法优选与推荐

中国页岩气资源丰富,勘探开发潜力大,其中孔隙度是页岩储层评价和页岩气储量计算的关键参数。页岩主要发育微纳米孔隙,孔隙结构复杂,渗透率低,对其孔隙度进行精确测试较常规储层难度更大。为了解决页岩柱塞样氦气法在不同实验条件下所测孔隙度差异较大,且不同实验方法所测页岩孔隙度可比性不明确的问题,此次在详细总结了页岩孔隙度测定各种方法优缺点的基础上,选取四川盆地南部地区五峰组-龙马溪组页岩作为研究对象,利用改进的实验设备开展了样品烘干温度、抽真空时间、氦气饱和平衡判定条件和氦气平衡压力等实验和对比分析,明确了不同测定方法之间的差异,形成了页岩气储层孔隙度测定推荐方法。研究结果表明:①页岩柱塞样氦气法实验条件宜采用线切割方法制备柱塞样,样品在105℃烘干时间不少于24 h,将样品室抽真空至0.1 Pa,氦气饱和平衡判定条件采用30 min压力变化小于0.21 kPa,氦气注入压力设置为1.378 MPa;②改进后的页岩柱塞样氦气法较常规柱塞样氦气法所测孔隙度明显增大,平均增大0.79%;③平行样品颗粒样氦气法大于柱塞样氦气法和液体饱和法所测孔隙度,反映出页岩中存在少部分不连通孔隙;④柱塞样氦气法和液体饱和法所测孔隙度总体差异不大,在孔隙度较小时前者略大。结论认为,改进后的“抽真空+严格平衡条件”柱塞样氦气法所测页岩有效孔隙度可靠性高,推荐优先采用此方法进行页岩孔隙度测定,孔隙度的准确测定有助于页岩气有利区优选和页岩气储量计算。

基于镜像电荷法探测液氦表面电子的自旋态

文献[Phys.Rev.A,2006,74:052338]的理论研究表明液氦上电子自旋具有长达100秒的相干时间,因此在实施量子信息处理方面具有很大的应用前景.然而,这一理论还未得到实验的证实.液氦上电子的自旋-轨道耦合可以为电子自旋探测提供一种可选的方法.理论上,电子自旋-轨道耦合可以由液氦膜下方的微电极电流产生.在微波驱动下,电子发生电偶极跃迁,导致电子距离液氦表面的平均高度发生改变.利用镜像电荷法[Phys.Rev.Lett.,2019,123:086801],电子的这种轨道运动可以被实验测量.建立基于液氦上电子-自旋轨道耦合的密度矩阵方程,并数值求解镜像电荷的振动行为.结果表明不同的自旋态将会引起不同的感应电流,这种差异提供了一种可选的电子自旋探测方法.

加注流量对大型液氦罐箱加注过程的影响规律研究

为研究加注流量对大型液氦罐箱加注过程的影响,建立液氦罐箱的一维非稳态热力学模型,对不同加注流量工况进行模拟计算。模拟结果表明:液氦加注过程分为罐箱预冷、液氦积液和罐箱静置三个阶段,随着加注流量的增大,罐箱预冷和液氦积液阶段用时减少,温度下降率增大,氦气质量和热力学能出现峰值时间提前,罐箱出口氦气体积流量波动幅度增大;液氦加注过程用时与加注流量呈指数减少关系。受回收系统限制,容积为20 m3的大型液氦罐箱,推荐最大加注流量为20 g/s。

4 K大冷量GM型脉冲管制冷机

液氦温区GM型脉冲管制冷机由于具有大冷量、低振动、高可靠性等优点,在凝聚态物理、量子计算等前沿领域具有重要应用.调相机构对脉冲管制冷机性能有重要影响,先前针对GM型脉冲管制冷机调相机构的研究,主要集中在制冷机获取液氦温度后单个调相元件对制冷性能的影响方面.本文围绕4 K GM型脉冲管制冷机,基于Sage软件设计并构建了气耦合两级结构的整机仿真模型,分析了一、二级小孔和一、二级双向分别对两级制冷温度的影响,研究了制冷机达到液氦温区温度的调节优化过程.在此基础上,搭建了实验系统,实验样机经优化最低温度可达3.1 K,并可在4.2 K提供0.8 W制冷量.该研究不仅可以推进4 K制冷平台国产化进程,对相关前沿基础科学研究和重要科学仪器设备的自主研制也有支撑作用.

基于热-结构耦合的液氦储罐地震响应特性研究

为了揭示液氦储罐热应力对其地震响应特性的影响,采用热-结构耦合及响应谱分析方法,建立并求解了某40 m^(3)卧式液氦储罐地震响应特性分析的有限元模型,对比分析了考虑热应力前后液氦储罐地震响应谱应力和形变差异。研究表明:热应力导致储罐固有频率的改变主要体现在支撑杆与外罐连接处,进而导致地震响应谱应力及形变量增大,考虑热应力的支撑结构形变量较忽略热应力的形变量增大了36.4%。储罐内液体的重力引起的应力硬化较热应力显著。

基于液氮预冷的20 K低温氦气循环系统设计

在低温氦气循环系统设计中,为循环提供动力的方式一般包括常温压缩机和低温离心风机两种。低温离心风机提供循环动力时,工况难以预测;常温压缩机提供循环动力时,换热损失较大。设计了基于液氮预冷的低温氦气循环系统,并对回热器、冷头换热器进行了详细的设计,测试了加热负载及循环质量流量对系统稳定运行时性能的影响。试验结果表明:在消耗电功率19.7 kW时,能提供质量流量为0.84 g/s,冷量为50 W@19.3 K的低温循环氦气,具有一定的工程实用性,对低温氦气循环系统的设计具有一定的参考意义。

空间液氦温区机械式制冷技术发展现状及趋势

在介绍已发射和在研液氦温区低温探测器的任务目标和对低温系统性能要求的基础上,分析了空间用液氦温区机械式制冷技术的设计方法和工作性能,并对其发展趋势进行了展望.当前空间液氦温区机械式制冷技术主要采用线性压缩机驱动的预冷型4 He和3 He J-T节流制冷技术,而对于提供预冷的斯特林制冷机、吸附制冷机和高频脉管制冷机而言,进一步提高制冷效率是实现整机高效运行的关键.

日本空间液氦温区低温技术的发展现状

介绍日本空间探测器中液氦温区低温技术的发展历程,大致可以分成3个阶段:超流氦杜瓦(湿法)、斯特林制冷机冷却超流氦杜瓦(半干半湿法)以及斯特林制冷机预冷J-T(Joule-Thomson)制冷机(干法).通过不断改进,制冷机的性能和可靠性稳步提高.日本依托一系列空间项目,用早期项目的经验为后续计划确定方向,在解决问题的过程中进步,可以为我国开发相关技术提供参考.

ADS注入器Ⅱ10MeV加速器液氦分配系统设计

ADS注入器Ⅱ超导加速段的运行需要在4.2K(液氦)超低温环境下进行,针对注入器Ⅱ10MeV加速器低温恒温器的运行要求设计了一套液氦分配系统,该系统在满足加速器的低温恒温器工作的同时还具备给超导腔水平测试、垂直测试、磁铁测试等试验终端供液以及调节流量的功能。系统已应用于5 MeV加速器液氦的分配与调节以及超导腔垂直测试系统中,运行良好。重点介绍了液氦分配系统的工艺流程、阀箱的结构设计及调试运行情况。

炸药爆轰产物液氮、液氦和水状态方程研究

使用修正的ＷＣＡ状态方程和Ｒｏｓ变分微扰理论研究了炸药爆轰产物（液氮、液氦和水）的冲击压缩特性，并利用ｅｘｐ６形式的势函数计算分子间相互作用贡献的自由能。研究和计算经验表明，在研究高温高密度条件下液体的冲击压缩特性时，分子间多体相互作用十分重要。

高温高压金刚石单晶生长界面的研究

利用扫描电镜及Ａｕｇｅｒ电子谱技术研究了高温高压下金刚石单晶生长界面的特性，观察到了金刚石单晶表面及金属膜表面的沟槽结构及金刚石－金属、金属－石墨两个主界面间的过渡层结构及界面间Ｃ原子电子组态的变化。

制冷机冷却型超导磁体杜瓦的研制

介绍了带制冷机冷却的超导磁体系统杜瓦的设计、制作及实验结果分析。杜瓦采用 4 0 K、10 K双制冷屏结构 ,其室温磁场孔径为 75 mm,长 4 15 m m。试验结果为 :液氦蒸发率为 0 .6 9升 /天 (在 2 0天连续试验期内 ) ,优于合同规定的指标 (2 .4升 /天 )。双制冷屏由一台双级 G- M制冷机冷却 ,工作时一级冷屏温度为 35 K,二级冷屏温度为 7.0 K。磁体系统的磁场强度为 3T。

液氦/超流氦制冷系统负压换热器仿真及优化设计

针对液氦/超流氦制冷系统负压换热器,开发了一种基于分布参数微元法的准一维换热器计算模型,并采用该模型对换热器进行了仿真计算及优化设计。在传统换热器设计方法的基础上,该模型进行了分块考虑,加入了低温下变物性和轴向热损失等因素的影响,并对换热器进行温度、压力耦合计算,准确得出了换热器内部的温度和压力场。最后,针对一个实际工况下的液氦/超流氦换热器进行了传热、流动设计和材料、翅片结构优化,结果表明：处于临界状态附近的换热器设计需要更加准确的工质物性,当换热器材料的热导率在4-10W/（m·K）之间时,轴向导热效应对换热器长度和性能影响较小。该设计工况中采用的板翅式换热器材料为Al6061,5层排列结构（CHCHC）,翅片结构为JC654202/JC474202,能够满足设计需求。该研究工作为后续实际液氦/超流氦制冷系统负压换热器优化设计提供理论和技术支持。

直接达到液氦温度的G-M型制冷机及其应用

随着低温下具有高比热峰值的磁性稀土材料的发现，大幅度提高Ｇ Ｍ型制冷机的性能具有了可能性。基于磁性稀土填料Ｅｒ３Ｎｉ、ＥｒＮｉ、ＧｄＲｈ 等的特性，根据热力过程分析和数值计算结果，对双级Ｇ Ｍ 型制冷机进行了重新设计、加工，使其达到了液氦温度。介绍了我们研制的４．２ Ｋ双级Ｇ Ｍ 型制冷机的设计和结构。该制冷机的最低制冷温度为２．６ Ｋ，制冷量为５８０ ｍ Ｗ／４．２ Ｋ、１ １００ ｍ Ｗ／５．０ Ｋ，热工效率高。同时简要介绍了该制冷机的应用。