基于CRC-GL7制冷器的300mK吸附制冷自动降温优化控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CRC

【技术实现步骤摘要】
基于CRC-GL7制冷器的300mK吸附制冷自动降温优化控制方法


[0001]本专利技术主要涉及超导低温探测领域的低温制冷工程技术，尤其是最低温度低至300mK及其以下的吸附制冷技术。

技术介绍

[0002]伴随着超导探测技术的发展，亚K量级的低温制冷技术也不断地日新月异。随着量子技术热度的持续高涨，又对低温制冷设备提出巨大的需求。超导探测离不开低温制冷平台，不同类型的探测器其超导转变温度各不相同。此外，不同原理的制冷器能够达到的最低温度和低温保持时间也有着巨大的差异。对于很多超导探测器而言，3K-4K的温度可以满足探测要求。然而，超导探测器最佳探测灵敏度是要在1K以下的温度才能达到。目前，市场上绝大多数机械制冷器 (mechanical cooler)能够达到的最低温度在几K左右，要到达亚K量级的温度必须要采用额外的制冷方法。最常用的方法是通过泵浦液态3He来降低3He蒸发气体的气压从而降低温度。这种方法可以实现降温到300mK及以下，但需要外置泵浦进行3He气体循环。此外，泵浦设备出现故障或者操作失误，都有泄漏昂贵3He的风险。
[0003]目前，利用超流4He稀释3He的稀释制冷方法，已达到1.8mK的低温，并且它可以长时间地维持毫K范围的温度。然而遗憾的是，我国目前尚无自主企业和机构能够完整地提供最低温度达到300mk下的制冷设备及其配套服务。中国科学院紫金山天文台毫米波和亚毫米波技术实验室多年来深耕超导探测技术，在低温制冷设备方面逐步掌握关键技术，自主研发了一套采用新型结构的多自由度约束、凯夫拉线悬置固定绝热以及无氧铜带低温导热连接方式等的低漏热的300mK低温测量平台，并根据自身的实际需要联合国内相关企业和机构整合商用4K GM机械闭环制冷机与300mK 3
He/4He吸附制冷器，制备了最低温度达到300mK以下的低温杜瓦设备。该设备的性能指标达到商用产品国际先进水平，有效地填补了国内在该领域的空白，培养并带动了一批国内的相关企业。
[0004]该杜瓦设备采用了英国chase research公司的CRC-GL7制冷器采用了内置吸收泵浦(活性炭泵，charcoal Pump)，具有结构紧凑便于整体置入杜瓦内，能够有效避免因失误操作引起3He泄漏等的优点。
[0005]如图5所述，CRC-GL7制冷器的主要结构包含了两个活性炭罐、两个热流开关、超流氦薄膜蒸发器(T2.2K)、4He储液罐(0.8K冷头)和3He储液罐(0.3K 冷头)4K冷板等组件。此外，该制冷器还配有4个电阻加热器，分别放置在两个活性炭罐及两个热流开关处。所述活性炭罐内存储有活性炭材料，用于吸附和释放3He和4He气体，也称炭泵。两热流开关分别用来控制4He和3He气体从炭泵进出与4K冷板热接触的部分。4He储液罐(0.8K冷头)和3He储液罐(0.3K 冷头)顾名思义，就是存放液态4He(氦-4)和液态3He(氦-3)。
[0006]chase research公司提供了CRC-GL7制冷器降温控制的指导步骤 (“TWO-STAGE SUB-KELVIN 3He COOLER Nos.CRC-GL7-015&-016.INSTALLATIONAND OPERATING INSTRUCTIONS”)。根据chase research公司提供的降温步骤，吸附制冷过程从常温状态开始需要依次经历预冷过程、4He液化制冷过程、3He 液化制冷过程这三个制冷过程才能使得
0.3K冷级上的温度降至0.3K以下。由于0.3K冷级的制冷是靠蒸发该冷级上的液态3He(3LHe)而实现的，一旦3LHe 耗尽(我们平台消耗时间为15小时左右)，3LHe蒸发过程也就结束，0.3K的冷级温度随即也会上升到0.3K以上。为了使得0.3K冷级温度再次降至0.3K以下，系统需要经历再循环过程，从而使得系统的各个状态回到4He液化制冷过程之前的状态。
[0007]CRC-GL7制冷器降温控制的指导步骤给出了CRC-GL7进行制冷的4个基本制冷过程，对实际控制该制冷机进行制冷具有宏观的指导作用，然而它也存在以下问题和不足：(1)所描述的步骤基本上偏概括性，精细化及过程量化程度不够(例如指导步骤中关于如何判断判断He4液化已经充分进行的条件并不明确)，实际操作起来不能确保温度每次都能成功地降到300mK以下，也不能保证低温保持时间维持在较长的时间(10小时以上)。(2)指导步骤中涉及到的降温过程描述较为笼统，缺乏具体的控制过程和优化控制方法，这会致使制冷操作过程耗时较长，无法保证在限定的时间内降到300mK以下。(3)描述的操作步骤较为分立并且繁琐，缺乏整体性控制逻辑，人工控制降温过程极容易出错，费时费力，十分繁杂。
[0008]正是这些现实问题的存在，基于CRC-GL7制冷器的300mK吸附制冷平台使用效率不高，这是作为一套完整制冷设备的重大缺陷。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的缺陷，本专利技术的技术目的在于克服现有的基于CRC-GL7制冷器的制冷平台降温控制步骤相对分立，降温过程缺乏精细控制的缺点，对 CRC-GL7制冷器的降温过程进行控制参数的量化分析，对预冷过程、4He液化制冷过程、3He液化制冷过程和再循环过程进行精细化控制，并通过实验明确每一个阶段结束的条件使其具备自主控制降温的功能，最终实现制冷器降温过程高度自动化控制，以提高实验平台的使用效率。
[0010]为实现上述技术目的，本专利技术提供的技术方案为：
[0011]一种基于CRC-GL7制冷器的300mK吸附制冷自动降温控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0012]S1：将CRC-GL7制冷器的制冷阶段划分为7个阶段：预冷准备阶段、预冷阶段、4He液化制冷准备阶段、4He液化制冷阶段、3He液化制冷准备阶段、3He 液化制冷阶段和再循环阶段；
[0013]S2:每隔一定的时间间隔T，读取8个温度传感器的温度读数，并对4K冷板的温度值进行低通滤波，用以去除冷板温度值中固有的高频周期性抖动；
[0014]所述的8个温度传感器分别用于采集以下参数：3He炭泵温度TP3、3He炭泵的热流开关温度TS3、4He炭泵温度TP4、4He炭泵热流开关温度TS4、4K冷板温度T4.2K、2.2K冷级温度T2.2K、0.8K冷级温度T0.8K和0.3K冷级温度T0.3K；
[0015]S3:将当前时刻t获得的低通滤波后的4K冷板温度T4.2K，以及其它7个温度传感器反馈的读数，同t-T时刻制冷器所处的制冷过程结合起来，判断当前t时刻制冷器所处的制冷阶段；
[0016]S4:若当前判断的制冷过程处于预冷准备阶段，则继续保持所有的3He炭泵和4He炭泵加热功率为0，3He炭泵热流开关和4He炭泵热流开关加热功率为0；
[0017]S5:若当前判断的制冷过程处于预冷阶段，则采用PID算法动态控制3He炭泵和4He
炭泵的加热功率，使得3He炭泵的温度TP3上升到40K
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CRC-GL7制冷器的300mK吸附制冷自动降温控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将CRC-GL7制冷器的制冷阶段划分为7个阶段：预冷准备阶段、预冷阶段、4He液化制冷准备阶段、4He液化制冷阶段、3He液化制冷准备阶段、3He液化制冷阶段和再循环阶段；S2:每隔一定的时间间隔T，读取8个温度传感器的温度读数，并对4K冷板的温度值进行低通滤波，用以去除冷板温度值中固有的高频周期性抖动；所述的8个温度传感器分别用于采集以下参数：3He炭泵温度TP3、3He炭泵的热流开关温度TS3、4He炭泵温度TP4、4He炭泵热流开关温度TS4、4K冷板温度T4.2K、2.2K冷级温度T2.2K、0.8K冷级温度T0.8K和0.3K冷级温度T0.3K；S3:将当前时刻t获得的低通滤波后的4K冷板温度T4.2K，以及其它7个温度传感器反馈的读数，同t-T时刻制冷器所处的制冷过程结合起来，判断当前t时刻制冷器所处的制冷阶段；S4:若当前判断的制冷过程处于预冷准备阶段，则继续保持所有的3He炭泵和4He炭泵加热功率为0，3He炭泵热流开关和4He炭泵热流开关加热功率为0；S5:若当前判断的制冷过程处于预冷阶段，则采用PID算法动态控制3He炭泵和4He炭泵的加热功率，使得3He炭泵的温度TP3上升到40K
±
2K，4He炭泵温度TP4上升至40K
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2K，并保证在此过程中4He和3He炭泵的热流开关温度不上升过快，控制其上升速度低于0.05K/S的增速，并确保TS3和TS4均不大于10K，4K冷板温度T4.2K小于6.8K；S6:若当前判断的制冷过程处于4He液化制冷准备阶段，则进一步采用PID算法动态控制3He炭泵和4He炭泵的加热功率，保持3He炭泵的温度在40K
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2K，4He炭泵的温度在50K
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2K，并等待0.3K冷级温度T0.3K降至4K冷板温度T4.2K附近，这一条件量化为T0.3K-T4.2K≤0.5K，且4K冷板温度T4.2K降至5.2K以下；S7:若当前判断的制冷过程处于4He液化制冷阶段，则需要进一步判断4He液化是否完成；倘若4He液化已经完成，则进入3He液化制冷准备阶段；若4He尚未完成，则采用PID算法继续控制3He、4He炭泵的加热功率，维持3He炭泵的温度在45K
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1K，4He炭泵温度在60K
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1K，来精细控制4He的液化程度；判断4He液化是否完成的条件是：4K冷板温度降至3.6K以下，或者4K冷板温度降至4K以下的持续时间超过20分钟；S8:若当前判断的制冷过程处于3He液化制冷准备阶段，则关闭4He炭泵加热，待4He炭泵温度TP4因漏热而开始下降后，再打开4He炭泵的热流开关，并采用PID算法控制4He炭泵热流开关的加热电压，使得TS4先上升至15K，然后以不超过0.1K/s的增速缓慢地由15K上升到24～25K，并确保在此过程中热流开关温度TS3小于11K，4K冷板温度超过6K的时间不超过5分钟；S9：若当前判断的制冷过程处于3He液化制冷阶段，则关闭3He炭泵加热，等待3He气体完成液化；当3He炭泵的温度下降超过了1K或等待的时间超过10分钟后，开始控制打开3He炭泵的热流开关，并采用PID算法控制该热流开关的加热功率，使得该热流开关的温度TS3逐渐升高到25K，0.3K冷级逐步降至300mK以下；
S10:若当前判断的制冷过程处于再循环过程，则关闭3He炭泵热流开关和4He炭泵热流开关，待热流开关均关闭以后，采用PID算法控制3He炭泵和4He炭泵的加热功率，确保不致使4K冷板温度T4.2K小于6.8K的情况下，实现TP3和TP4迅速回温至40～45K；S11:回到步骤S2读取t+T时刻8个温度传感器的温度读数，进行t+T时刻制冷状过程阶段判定和相应的制冷过程控制操作。2.根据权利要求1所述的一种基于CRC-GL7制冷器的300mK吸附制冷自动降温控制优化方法，其特征在于：步骤S2中，低通滤波采用二阶巴特沃兹低通，截止频率为0.1倍采样频率。3.根据权利要求1所述的一种基于CRC-GL7制冷器的300mK吸附制冷自动降温控制优化方法，其特征在于：所述步骤S2中，读取温度传感器的时间间隔T取0.5s～3s。4.根据权利要求1所述的一种基于CRC-GL7制冷器的300mK吸附制冷自动降温控制优化方法，其特征在于：步骤步S3中，判断当前时刻t制冷器所处制冷阶段判断方法是：A)若t-T时刻制冷器处于预冷准备阶段，检查3He炭泵的热流开关温度TS3，4He炭泵热流开关温度TS4，若TS3和TS4均小于11K时，制冷器t时刻处于预冷阶段；若否，制冷器t时刻仍然处于预冷准备过程；B)若t-T时刻制冷器处于预冷阶段，根据t时刻的TP3和TP4的温度值判断，若TP3≥40K且TP4≥40K，制冷器t时刻处于4He液化制冷准备阶段；若否，制冷器t时刻仍处于预冷阶段；C)若t-T时刻制冷器处于4H...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭思远，姚骑均，史生才，段文英，吕伟涛，
申请(专利权)人：中国科学院紫金山天文台，
类型：发明
国别省市：