用于亚开温区的极低温绝热去磁制冷机

随着空间观测、量子技术等前沿科研领域的发展,亚开温区的极低温制冷需求日益增加.本文设计并研制了一台极低温单级绝热去磁制冷机.该制冷机由GM型制冷机提供约3 K热沉,以钆镓石榴石为磁热工质,由超导线圈提供最大为4 T的磁场,通过绝热去磁,实验最低温度可达470 mK.在恒温控制模式下,可在1 K下提供2.7 J冷量,温度波动小于0.5 mK,绝热去磁制冷的第二热力学效率为57%;在0.8 K下,制冷量为1.2 J.该制冷机将作为50 mK温区三级绝热去磁制冷系统中的第一级,在1 K下提供0.7 mW制冷功率.本研究为进一步开展极低温多级连续绝热去磁制冷奠定了基础.     

稀释制冷——一种获得极低温度的新方法

长期以来,人们要得到液体氦(He4)温度以下(<1K)直到毫开(mK,即千分之一开尔文)范围的温度,只有用顺磁盐绝热去磁的方法.这种方法不能连续制冷,只能在较短的时间内维持所得到的低温,冷却能力也很低,给实验工作带来了很大的限制.五十年代末期,由于从核反应中能够得到较多He4的同位素He3,人们可以利用He3液体的蒸发得到稳定的温度约0.3K.在对He3-He4溶液性质进行研究的基础上,1965—1966年期间,发展起一种能够得到mK温度的He3稀释制冷机.这种方法简单可靠,冷量(即冷却能力)大,能长时间(几天到一月)地连续工作,能够得到稳定可调节的温度,具…     

磁场致冷综述

本文综述了获得极低温的磁场致冷的物理思想和基本原理，包括顺磁盐绝热去磁致冷、核顺磁体绝热去磁致冷、超导体绝热磁化致冷、合金绝热去磁致冷和其它致冷，并估计了磁场致冷获得低温值的下限．     

一种新型低温固定点器件--4Heλ转变密封瓶

本文介绍一种高复现性的新型低温固定点器件--带毛细管结构的4Heλ转变密封瓶的制作和使用方法.使用一般的绝热恒温器,只需简单控制平台和密封瓶下池的温度,即可方便地观测到不平度小于0.05mK长达数小时的4Heλ转变温坪.实验数据表明,通过毛细管的热流对λ转变温度测量值有一定的下压作用,其数值为100μW下压量为0.38mK.改变通过毛细管的热流,测出多个不同热流下的温坪值,外推到零热流,就可得到真实的Tλ温度(2.1768K).     

内预冷顺磁盐绝热去磁装置和国产RS-11型实芯碳电阻的极低温电阻特性

本文描述了一套内预冷顺磁盐绝热去磁装置,达到的最低温度为65mK,从136mK升温到156mK的时间为3小时,平均升温速度为7mK/小时。用这套装置测量了国产RS-11型实芯碳电阻的极低温电阻-温度特性,结果表明,不同室温名义阻值的RS-11型碳电阻可作为不同极低温温区的电阻温度计使用。     

内预冷顺磁盐绝热去磁装置和国产RS-11型实芯碳电阻的极低温电阻特性

本文描述了一套内预冷顺磁盐绝热去磁装置,达到的最低温度为65mK,从136mK升温到156mK的时间为3小时,平均升温速度为7mK/小时。用这套装置测量了国产RS-11型实芯碳电阻的极低温电阻-温度特性,结果表明,不同室温名义阻值的RS-11型碳电阻可作为不同极低温温区的电阻温度计使用。     

一种方便的精密低温恒温器

本文介绍了一台4.2—300K宽温区低温恒温器。试验结果表明:它和传统的真空绝热恒温器或液氦连续流动恒温器比较,具有结构简单、预冷容易、温场均匀、液体消耗少和换样品方便等优点。适合于一般电磁测量和检定温度计等。     

极低温制冷技术的发展与应用

近年来,空间探测和凝聚态物理等领域对极低温制冷技术(1K)的潜在需求越来越大。本文总结了绝热去磁制冷、稀释制冷与吸附制冷三种目前主要制冷方法的原理与优缺点,回顾了三类制冷技术的发展历程与应用现状,提出了绝热去磁制冷、稀释制冷与吸附制冷技术未来的发展趋势与研究重点。     

氦-3状态方程研究进展第一部分:固-液、气-液饱和线以及临界区状态方程

宽温度和压力范围内的3He详细热力参数数据对进行极低温基础科学研究和制冷特性研究是至关重要的,但至今尚缺乏一个热力学统一的解析形式状态方程来准确描述1K左右到室温300K温区的3He热力学性质.在收集和整理各类研究3He热力性质文献的基础上,总结了3He固-液、气-液饱和线以及临界区状态方程的研究状况.这项工作不仅能为关心3He局部区域性质的研究人员提供总结,而且可为今后开发宽范围的3He热力学状态方程提供参考.     

Nd0.7Sr0.3MnO3顺磁-铁磁转变的电子自旋共振谱

用电子自旋共振(ESR)在100～300K温区对Nd0.7Sr0.3MnO3的顺磁-铁磁相变进行了细致的观测.所得ESR信号显示,在居里温度附近温区,顺磁相中存在着铁磁团簇,铁磁相中也存在顺磁成分.巨磁电阻峰值出现在ESR谱形状变化急剧的温区.ESR线宽在顺磁态随温度升高而线性增大,在居里温度附近呈现了极小值.     

小型室温磁制冷系统的改进及实验研究

基于先前报道的旋转内磁体式小型室温磁制冷系统,系统采用了新的双层同心嵌套式Halbach磁体组,开展了钆工质的制冷温跨与制冷量的实验研究。采用新的双层Halbach磁体组后,磁体组轴线处平均磁场强度由0.3～1.2 T提升至0.06～1.40 T。在回热器两端绝热保温的工况下,采用新磁体组的系统在相似频率和利用系数下性能显著提升,并在1.25Hz的运行频率下获得19.8 K的制冷温跨。在系统引入高低温换热器的条件下,设定回热器高温端温度为27.5℃时,室温磁制冷机在7K制冷温跨下获得10W制冷量,工质比制冷量约47W·kg^-1,并在1.7 K的制冷温跨下获得了50W制冷量。     

磁致冷磁冰箱及其它

 魏斯(Weiss)早在1918年发现铁磁体绝热磁化时会伴随着可逆的温度改变,他把这种现象称为磁热卡罗利效应(Ma-gneto Colo-ric Effect).磁致冷就是利用这个效应来获得低温的.近来由于环境保护和其它的考虑,研究室温至50K温区应用磁致冷技术受到了重视.     

核绝热去磁制冷

温度是最基本的物理量之一,在科学研究中,将研究对象放置在低温环境中是一个非常常见的方法。更低的温度有助于发现低能量尺度的量子多体系统的新演生现象,也有助于在更低的热噪声下实现更高的实验分辨率。低温实验工作者有两个基本任务,一个是在低温环境下发现新的物理,另一个是提供低温环境和创造新的低温环境。在液氦或者干式制冷提供前级预冷环境的基础上,核绝热去磁等制冷原理被提出和使用。低温设备的无液氦消耗化,是与氦液化和稀释制冷同等重要的低温制冷突破。氦于1908年被液化,20世纪60年代中国有能力液化氦;同个时期,稀释制冷机被发明,中国近期正在发展稀释制冷技术。文章讨论了核绝热去磁制冷的基本原理,回顾了干式核绝热去磁技术的出现背景,并介绍了这种设备的一次搭建尝试。这次在中国的尝试,成功地实现了世界最低温度的无液氦消耗制冷机。     

中国散裂中子源4K低温恒温器研制及测试

中国散裂中子源(CSNS)中子谱仪的运行离不开低温设备提供的低温样品环境，考虑到中子散射的特殊性，样品处不能放置温度计，所以需要对样品温度进行校核。校核结果显示部分低温恒温器样品座测点温度与实际样品温度存在差值。针对该问题，对样品区域进行热工分析及建模求解后，给出了样品区匀温恒温器设计方案。据此CSNS样品环境组设计组装了一套匀温恒温器，该恒温器的温度测试结果显示，4～300 K之间样品温度与测点温度差值在±3 K之内，另外也对300～800 K之间减少样品温差的方案进行了计算和测试。样品区匀温恒温器的研制满足了CSNS对样品测温准确的要求，也对类似设备的匀温方案提供了一定参考，有助于大科学装置设备的国产化。     

氦-3状态方程研究进展第二部分:正常液相区和气体区以及全区间状态方程

宽温度和压力范围的3He详细热力性质数据对进行极低温基础科学研究和制冷特性研究是至关重要的.但至今尚缺乏一个热力学统一的解析形式状态方程,来准确描述1K左右到室温300K大温区的3He热力学性质.在收集和整理各类研究3He热力性质文献的基础上,总结了正常液相区和气体区以及全区间3He状态方程的研究状态,这项工作不仅能为关心3He局部区域性质的研究人员提供总结,而且可为今后开发宽范围的3He热力学状态方程提供参考.     

高温超导体Tl_2Ba_2Ca_2Cu_3O_y磁性质研究

测量了高温超导体 Tl_2Ba_2Ca_3Cu_3O_y 多晶样品的磁化强度与温度及磁场的关系。发现至少在90K 到200K 的温区样品有顺磁性.顺磁磁化率为10~(-4)量级,并随温度和磁场增加而缓慢减小.样品在116K 左右以下温度出现抗磁性,它随温度和磁场而变化的速度大大超过顺磁性.这两种磁性可以共存,但在2Tesla 以上磁场中,由于两种磁性的大小可相比拟导致样品磁性质的不稳定.由实验结果得到了 H_(c2)(0).讨论了顺磁性的来源以及在 TlBaCaCuO高温超导体中引进磁性杂质作为磁通钉扎中心以提高临界电流的可能性.     

循环磁致冷

物理学的发展对低温条件提出了各种各样的要求,除了更低的温度以外,有时还要求大的致冷功率,或者对致冷空间的磁场以及介质物性作出特定的限制. 本文所要论及的磁致冷方法,自1926年吉奥克和德拜各自独立提出以来,已经发展成为一项获得1K以下温度的标准技术.然而由于某些技术上的困难,长期以来绝热退磁只是“一次性”的致冷手段,因而限制了它的应用范围.虽然在五十年代希尔等制成了一合利用超导热开关在1K以下连续工作的磁致冷机,但由于在效率、致冷功率等方面竞争不过稀释致冷机[1],因而未能得到推广发展. 广义的循环磁致冷不仅仪限于IK以…     

热耦合型二级高频脉冲管制冷机实验研究

降低制冷温度至4 K温区是高频脉冲管制冷机的最新发展要求。本文介绍了一套热耦合型二级高频脉冲管制冷机的性能特性,它可以达到低于15 K以下的最低温度,是目前报道的高频二级脉冲管制冷机能获得的最低温度．通过对制冷机一级预冷、二级输入功率、二级冷量、室温条件等影响的分析,从实验角度揭示了该二级制冷系统的复杂影响,为进一步的深入分析和改进提供了基础。     

铅蓄冷材料的二级脉冲管制冷机研究

采用多级方案是高频脉冲管制冷机获得低于20 K以下制冷温度的主要方法,以不锈钢金属丝网为蓄冷材料的二级高频脉冲管制冷机,实验已经达到了20 K以下温度.理论上讲,由于热容大,以铅为主的蓄冷材料比不锈钢更适合40～10 K温区工作,这在低频回热制冷机中得到了证明.本文介绍了我们采用不同铅球和铅网为低温蓄冷材料的研究结果.实验表明,小铅球对于高频脉冲管制冷机是不很合适的,导致制冷温度的明显升高.镀铅的不锈钢丝网和已有不锈钢丝网的性能相似,可进一步深入研究.该研究对于20 K以至更低温度的高频回热制冷机研究有一定的借鉴意义.     

Dy3Al5O12磁热性质研究

用量子理论计算了Dy₃Al₅O₁₂的晶场能谱、Zeeman劈裂能级和波函数. 在外磁场H_e为0<H_e<9 T, 温度为3<T<42 K 范围内, 计算了该晶体的磁矩、磁熵变, 计算结果与相关实验数据吻合较好. 该计算结果表明, Dy₃Al₅O₁₂内磁性离子间的交换作用非常微弱, 可以忽略. 从理论上给出了绝热退磁过程中温度变化ΔT与T的关系, 并与Gd₃Ga₅O₁₂晶体进行了比较, 发现不同外磁场下, Dy₃Al₅O₁₂和Gd₃Ga₅O₁₂的低温制冷性能在不同温区有差别. 在进行低温(T<10 K)制冷时, 若外磁场较低, 选择Dy₃Al₅O₁₂作为磁制冷材料较好; 若外磁场较高, 选择Gd₃Ga₅O₁₂作为磁制冷材料较好.