一种液氦-4超流体状态温度指示仪及其使用方法技术

本发明专利技术属于液氦

【技术实现步骤摘要】
一种液氦
‑
4超流体状态温度指示仪及其使用方法


[0001]本专利技术属于液氦
‑
4超流体状态温度指示设备
，具体涉及一种液氦
‑
4超流体状态温度指示仪及其使用方法。

技术介绍

[0002]氦有两种天然同位素：氦
‑
3、氦
‑
4，自然界中存在的氦基本上是氦
‑
4；在1个大气压下，氦
‑
4原子气体系统在温度为4.215K时开始液化，但因其零点能强，原子间的范德瓦尔吸引势能还不能使系统固化，到T=0K也仍然是液体，可称之为永久液体，需加压至25大气压才开始固化。在T=2.17K处，液氦
‑
4发生λ
‑
相变，相变后的液氦其黏性系数η<10
‑
12Pa
·
s，呈现无黏滞的超流动性，而λ
‑
相变前的液氦
‑
4与正常液体属性一样。为区别这二种有差异的同原子氦
‑
4液体，将λ
‑
相变前的正常液体称液体HeⅠ，相变后的超流液体称液体HeⅡ。超流体液氦能沿器壁向尽可能低的位置移动，将空的烧杯部分地浸于HeⅡ中时，烧杯外的液氦将沿烧杯外壁爬上杯口，并进入杯内，直至杯内和杯外液面持平。反之，将盛有液氦的烧杯提出液氦面时，杯内液氦将沿器壁不断转移到杯外并滴下。
[0003]由于氦液相已经属于超低温温域，在超低温中再区分常流氦相（HeⅠ）与超流氦相（HeⅡ）的温区温度对传统温度测量仪器难度过大，一些温度传感器本身的测量误差会受到超低温环境的影响产生额外的干扰误差，从而无法准确指示温度是否达到液氦的超流体状态温度2.1K，因此亟需研发一种简单可靠廉价的2.1K以下超低温环境温度指示型设备。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种液氦
‑
4超流体状态温度指示仪，所述指示仪利用液氦在从常流氦相HeⅠ转变为超流氦相HeⅡ时所具有的独特物理性质Rollin膜原理，实现可靠地指示出温度已经达到超流氦相HeⅡ温区。
[0005]本专利技术是通过下述技术方案实现的：一种液氦
‑
4超流体状态温度指示仪，包括容器、光学棱镜、转动轴组件、支撑架、入射信号的光纤连接接头、接收信号的光纤连接接头和框架；所述容器为密封容器，由左腔室、右腔室和毛细管组成；所述左腔室和右腔室为容积相同的圆筒状结构，内部填充有等质量的气态超纯氦气；左腔室的内径大于右腔室的内径，并且左腔室和右腔室的顶部平齐，通过毛细管连通；所述容器位于框架内；所述转动轴组件由中心转动轴杆和转动轴承组成，所述中心转动轴杆的两端通过转动轴承安装在支撑架上，所述中心转动轴杆的中部和毛细管中心下方的外壁固定连接；所述光学棱镜安装在毛细管中心外壁上方，光学棱镜的中心点与转动轴组件在中心在同一竖直线上；所述框架的顶部安装有入射信号的光纤连接接头和接收信号的光纤连接接头；入射信号的光纤连接接头的光路能够照射到光学棱镜所在面为棱镜入射面，接收信号的光纤连接接头的光路能够照射到光学棱镜所在面为棱镜出射面。
[0006]进一步地，所述入射信号的光纤连接接头的出射光和光学棱镜的入射面呈90
°
垂
直放置，所述接收信号的光纤连接接头的入射光和光学棱镜的出射面呈90
°
垂直放置。
[0007]进一步地，所述转动轴组件材质为316L不锈钢；所述左腔室、右腔和毛细管材质为钛合金；所述支撑架的材质为316L不锈钢；所述框架的材质为316L不锈钢。
[0008]进一步地，所述光学棱镜、入射信号的光纤连接接头和接收信号的光纤可以替换为机械式指针，杠杆传动或电流导通。
[0009]进一步地，所述液氦
‑
4超流体状态温度指示仪用于监测超低温容器或指示氦流体状态。
[0010]一种本实施例所述液氦
‑
4超流体状态温度指示仪的使用方法，包括以下步骤：步骤1、在常温状态下检查所述指示仪各个部件完好，转动轴组件转动无迟滞阻碍，光学棱镜的光学反射性能正常，棱镜入射面和棱镜出射面的透明度符合要求；步骤2、将所述指示仪水平固定放置于测量温区区域内，入射信号的光纤连接接头通过耐低温光纤连接框架外部光纤发射器，接收信号的光纤连接接头通过耐低温光纤连接框架外部的光接收器；步骤3、使毛细管置于水平位置，调整入射信号的光纤连接接头、接收信号的光纤连接接头和光学棱镜的位置，保证外部光纤发射器发射的光纤经入射信号的光纤连接接头发射到棱镜入射面上，棱镜出射面射出的光纤经接收信号的光纤连接接头连接到外部的光接收器上；步骤4、等待温区降温，当达到2.1K时氦
‑
4进入超流体状态；由于左腔室和右腔室内氦
‑
4内液面高度不同，超流体特性导致液体沿腔室内壁向上经毛细管发生流动，导致质量不平衡，引发转动轴组件带动光学棱镜发生偏转，使光信号中断；此时所述指示仪完成氦
‑
4超流体态指示；步骤5、在复温使氦
‑
4转为气态后，左腔室和右腔室内液氦
‑
4质量重新平衡，使光学棱镜复位，光纤信号重新导通。
[0011]有益效果：（1）本专利技术提供一种液氦
‑
4超流体状态温度指示仪，所述指示仪的核心是利用质量平衡原理和氦
‑
4超流体态下Rollin膜原理，设置转动轴承装置、光学棱镜和光纤信号组合；氦
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4气体在4.215K时开始液化成正常液体，此时虽然左、右腔室因为内径不同导致液面高度不同，但是由于左、右腔室内氦
‑
4气体质量相同，因此转动轴组件未发生偏转，所述指示仪依然能够正常接受光纤信号；但是当降温达到2.1K以下时，普通液体相变成为超流体，超流体液氦能沿器壁向尽可能低的位置移动，因此液面高的腔室内的液氦会径毛细管流入液面低的腔室内，导致左、右腔室内液氦的质量不平衡，从而引起转动轴组件发生转动，导致毛细管上方外壁固定安装的光学棱镜随轴承组件发生转动，导致光纤信号中断，从而指示达到超低温温区；所述指示仪有效解决超低温2.1K温区以下的温度确认难题，并且由于是纯物理原理性质的，可以避免很多传感器自身误差导致的错误。
[0012]（2）本专利技术提供一种液氦
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4超流体状态温度指示仪，所述指示仪中转动轴组件转动导致出现转动角度，其光学棱镜和光纤信号组合反映转动角度信号只是一种技术手段；可以更换多种其它技术特征，如机械式指针，杠杆传动，电流导通等多种方式来完成转动信号；所述指示仪原理简单可靠成本低廉，可以通过灵活多样的扩展来适应不同需求。
[0013]（3）本专利技术提供一种液氦
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4超流体状态温度指示仪，所述指示仪条件限制小，可以
灵活的安装在多种环境下，也可以直接置于温区内部，用于监测超低温容器或指示氦流体状态。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液氦
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4超流体状态温度指示仪，其特征在于：包括容器、光学棱镜、转动轴组件、支撑架、入射信号的光纤连接接头、接收信号的光纤连接接头和框架；所述容器为密封容器，由左腔室、右腔室和毛细管组成；所述左腔室和右腔室为容积相同的圆筒状结构，内部填充有等质量的气态超纯氦气；左腔室的内径大于右腔室的内径，并且左腔室和右腔室的顶部平齐，通过毛细管连通；所述容器位于框架内；所述转动轴组件由中心转动轴杆和转动轴承组成，所述中心转动轴杆的两端通过转动轴承安装在支撑架上，所述中心转动轴杆的中部和毛细管中心下方的外壁固定连接；所述光学棱镜安装在毛细管中心外壁上方，光学棱镜的中心点与转动轴组件在中心在同一竖直线上；所述框架的顶部安装有入射信号的光纤连接接头和接收信号的光纤连接接头；入射信号的光纤连接接头的光路能够照射到光学棱镜所在面为棱镜入射面，接收信号的光纤连接接头的光路能够照射到光学棱镜所在面为棱镜出射面。2.根据权利要求1所述一种液氦
‑
4超流体状态温度指示仪，其特征在于：所述入射信号的光纤连接接头的出射光和光学棱镜的入射面呈90
°
垂直放置，所述接收信号的光纤连接接头的入射光和光学棱镜的出射面呈90
°
垂直放置。3.根据权利要求1所述一种液氦
‑
4超流体状态温度指示仪，其特征在于：所述转动轴组件材质为316L不锈钢；所述左腔室、右腔和毛细管材质为钛合金；所述支撑架的材质为316L不锈钢；所述框架的材质为316L不锈钢。4.根据权利要求1所述一种液氦
‑
4超流体状态温度指示仪，其特征在于：所述光学棱镜、入射信号的光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：左广巍，张震，许健，苏嘉南，杨申音，王嘉炜，余炳延，黄磊，樊亚丁，邢程前，吴俊哲，刘明昊，边治上，李景鹏，吴鹏，陈菁瑶，海跃，王天垚，周稚仪，李安琪，肖海亮，郭秀杰，张弛，郭万永，邓倩，李英贤，
申请(专利权)人：航天氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：