Page 76 - 《真空与低温》2025年第5期

任琪琛等：异型无液氦 1.8 K 低温系统研制及性能测试 615

取超流氦 [15-16] 。但该系统由于样品腔区域外部尺 循环泵、储气罐、Lackshore 336 控温仪、流量计、
寸紧凑，无法布置负压换热器实施预冷节流，因此 电控元器件等。样品腔与减压阀 V1 之间采用真
采用直接节流，存在一定的冷量浪费，系统最低温 空金属软管连接，储气罐为常压不锈钢筒体，其工
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受限。目前，万瑞公司采用同等配置实施预冷节 作压力为 1.2×10 Pa，储气罐中氦气经过流量计进
流技术路线，成功研制了最低温达 1.24 K 的低温 入恒温器内部氦气管路。
系统。 制冷机选用万瑞公司研制的 GM415 制冷机，
其 搭配 C100 W 水 冷 压 缩 机 ， 可 产 生 一 级 冷 头
2 系统组成
35 W@50 K 及二级冷头 1.5 W@4.2 K 的冷量，其从
无液氦 1.8 K 干式低温系统主要由恒温器和控
常温到 4.2 K 的降温时间小于 60 min，自身最低温
制柜两部分组成。两者之间采用金属波纹管连接
可达 3 K 以下。其不同温度下的一、二级冷头冷量
实现氦气循环，通过电缆连接实现温度、压力及
曲线，如图 3 所示。
真空监测和温度控制。
恒温器部分主要包括：真空容器、紫铜冷屏、 20 0 W 20 W 一级制冷量/W
18 20 W 40 W 80 W
GM 制冷机、节流器、超流氦腔、样品腔等组成， 16 60 W
如图 2 所示。真空容器为异形铝制腔体，根据制冷 14
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15 W
机、内部管路、样品腔的布局分为三部分，样品腔 二级温度/K 10 二级制冷量/W 10 W
有效尺寸为 Φ43×375 mm，样品腔外部真空容器为 8
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矩形（90 mm×60 mm×560 mm），用户可方便地在样 4 1.5 W
品腔外围配套磁场、光学等测试环境。采用铝制 2 0 W
0
真空腔体可以避免对样品区域的磁场干扰，也可以 20 30 40 50 60 70 80 90 100
一级温度/K
减轻设备的整体质量。为减小制冷机震动对样品
腔的影响，制冷机与真空壳体连接处设置有减震机 图 3 万瑞 GM415 制冷机冷量曲线
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构 。样品腔为超薄不锈钢腔体，样品腔与冷屏形 Fig. 3 The cooling capacity curve of GM415-cryocooler

成热隔断，减小样品腔到 1.8 K 温区的固体漏热，
3 系统测试
同时利用了样品腔回流冷氦气的冷量。在超流氦
和样品腔交接区域为加热换热控温台，布置有温度 无液氦 1.8 K 干式低温系统完成装配集成后，
传感器和加热器，换热台既有充足的换热面积保证 对其各项低温性能进行测试。测试前主要工作为：
冷氦气的换热控温，也有足够的流导可实现超流氦腔 真空容器抽气至 1 Pa 以下，对循环氦气系统采用
1.6 kPa 以下的真空。 99.999% 高纯氦气进行抽空置换 2 至 3 次，并充压
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至 1×10 Pa。

3.1 系统降温
开启 GM 制冷机及循环泵开始降温，控制循环
氦气流量为 6 L/min。系统降温曲线如图 4 所示，
制冷机二级冷头温度在 72 min 时下降到 30 K，降
温过程基本为线性下降，降温速率约为 3.6 K/min，
之后降温曲线形成拐点，降温速率变小。在 129 min
时，制冷机二级冷头达到 4.2 K，自 30 K 至 4.2 K
二级冷头的降温速率为 0.45 K/min。30 K 前后降
温速率的变化主要是一、二级冷头冷量随温度降
低而减小。
样品腔温度在降温前 10 min 内基本无变化，
图 2 恒温器外形结构
这是由于制冷机冷量基本用于前面冷凝器、超流氦
Fig. 2 External structure of the cryostat
腔的冷却。在 124 min 时样品腔温度达到 50.04 K，
控制柜部分主要包括：C100W 压机、减压阀、 常温至 50 K 区间降温速率约为 2.15 K/min，之后降