柱面壓縮液氮低溫靶的設(shè)計與實驗研究
研制了柱面加載壓縮的液氮溫區(qū)低溫靶,該低溫靶以液氮為冷源將樣品室冷卻到所需的溫度,并保持該溫度,然后對注入的樣品氣體液化,為柱面等熵壓縮提供條件。根據(jù)加載方式和保溫時間要求確定了低溫靶的初步結(jié)構(gòu)和尺寸,在此基礎(chǔ)上分析計算了靶體的漏熱、樣品室的溫度分布和保溫時間,對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。在自行搭建的實驗臺上對柱面壓縮液氮低溫靶的漏熱、降溫、溫度調(diào)控及不同環(huán)境條件下的保溫特性、樣品氣體( 氬氣) 液化過程的溫度變化進(jìn)行了試驗。試驗結(jié)果表明: 柱面壓縮液氮低溫靶的溫度可在一定范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)控制; 借助樣品室頂部針閥內(nèi)部的溫度計,結(jié)合分批充注樣品氣體的方法可以很好地觀測樣品室液體充滿狀況; 成功地將氬氣液化,充滿樣品室; 斷開冷源和真空泵后,樣品室溫度可以維持93 min。
引言
由于低溫液體沖擊壓縮實驗的重要性,國內(nèi)外均開展了低溫液體沖擊特性的理論分析和實驗研究,研制了用于各種實驗的低溫靶。國外在上世紀(jì)60 年代就有液氮、液氫、液氘等沖擊特性的研究報道,最具代表性的是美國LLNL 實驗室( Lawrence Livermore national Laboratory) 的研究工作。國內(nèi)針對液氮溫區(qū)的低溫液體的沖擊壓縮實驗也已經(jīng)有20 多年的歷史,研制出了與美國LLNL 實驗室基本類似的低溫靶系統(tǒng)。中科院理化所在國內(nèi)首次研制出了用于液氦溫度的低溫靶。以上都是利用輕氣炮軸向加載的低溫靶。近年來,由于磁爆發(fā)生器的強沖擊電流對低電感負(fù)載能夠產(chǎn)生強大的電磁力,在低溫靶中采用這一加載方式的研究陸續(xù)展開。
1996 年美國LANL 實驗室( Lawrence Alamos national Laboratory) 啟動Dirac 系列實驗,對液氦溫區(qū)的低溫靶進(jìn)行了等熵及超強磁場加載實驗。2010 年~2011 年俄羅斯實物院利用磁爆技術(shù)獲得了500 ~600 GPa 等熵加載下氫、氘等材料的狀態(tài)方程實驗數(shù)據(jù)。目前,國內(nèi)還沒有能夠應(yīng)用于柱面內(nèi)爆磁壓縮的液氮溫區(qū)低溫靶。
對于柱面加載的低溫靶有以下的技術(shù)特點:
(1) 樣品室在柱面壓縮實驗時不得有任何遮擋,因此低溫樣品室直接裸露于室溫;
(2) 樣品室內(nèi)要求溫度均勻且穩(wěn)定;
(3) 在斷開所有外部管路和冷源后,樣品室溫度要求維持60 min 以上。
低溫靶靶體的結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)柱面壓縮低溫靶的技術(shù)特點,對低溫靶靶體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。如圖1 所示為低溫靶系統(tǒng)結(jié)構(gòu),低溫靶靶體主體部分包括液氮槽( 低溫恒溫器) 、樣品室、閥針、液氮進(jìn)液管、排氣管、樣品充氣管等。為了便于加載,液氮槽底部為圓錐形結(jié)構(gòu),液氮由進(jìn)液管流入液氮槽,蒸發(fā)的氮氣由排氣管排出。樣品氣從充氣管進(jìn)入樣品管中,樣品管穿過液氮槽與樣品室相連,樣品氣體在樣品管中被冷卻液化后流入樣品室。樣品室上部設(shè)置低溫閥針,當(dāng)液態(tài)樣品充滿樣品室后將樣品室封閉。閥針通過細(xì)長閥桿可在室溫大氣環(huán)境下操控。低溫靶處于真空環(huán)境下,被磁加載套筒包圍。圓柱狀樣品室裸露于室溫環(huán)境,與套筒同心,滿足磁加載所需的結(jié)構(gòu)要求。
圖1 低溫靶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1. 樣品室溫度計; 2. 閥針( 液面溫度計) ; 3. 液氮槽; 4. 進(jìn)液管;5. 充氣管; 6. 閥桿; 7. 排氣管; 8. 樣品管; 9. 套筒; 10. 加熱絲; 11. 樣品室
溫度測量與控制
在針閥內(nèi)部設(shè)置圓柱狀溫度計用于探測樣品室液化樣品的界面。此外,在樣品室的上部和底部黏貼了兩個貼片式溫度計。在液氮槽與樣品室連接段纏繞加熱電阻絲,與336 型控溫儀和溫度計組成控溫系統(tǒng),用于樣品室的溫度調(diào)節(jié)與控制。根據(jù)樣品室需要的溫度在336 型控溫儀上設(shè)定控溫點,啟用336 型控溫儀的自動控溫模式,即可對低溫靶的樣品室進(jìn)行自動加熱控制。這種控溫方式的精度高,反應(yīng)快,與設(shè)定溫度溫差不超過0. 1 K。上述自動控溫方式只能控制樣品室的溫度,而實際樣品氣進(jìn)入樣品室之前會經(jīng)過液氮槽預(yù)冷,如果樣品的凝固點高于液氮槽溫度( 如氬氣) ,則會發(fā)生液體凝結(jié),堵塞樣品氣通道,為此,需要對液氮槽溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,同時改變樣品室的溫度。當(dāng)液氮槽內(nèi)存在液氮時,可以在液氮槽的進(jìn)液管和排氣管分別設(shè)置閥門,當(dāng)關(guān)閉兩個閥門時,由于靶體有漏熱,液氮槽內(nèi)液氮吸熱后氣化,飽和蒸氣壓逐漸增大,液氮的沸點升高,整個液氮槽及與之相連的樣品室溫度也隨之升高。若手動放出部分蒸發(fā)的氮氣,則液氮槽內(nèi)壓力下降,溫度隨之降低。這一控溫方法雖沒有自動控溫響應(yīng)快,控溫穩(wěn)定度也較差。但可以同時調(diào)節(jié)控制液氮槽和樣品室的溫度,保證樣品氣液化的順利進(jìn)行。
結(jié)論
用于磁加載的柱面壓縮低溫靶,以液氮為冷源,對樣品室進(jìn)行降溫。低溫靶的樣品室頂部設(shè)置了閥針,用于對樣品室內(nèi)的液體樣品封閉。閥針內(nèi)部安裝鉑電阻溫度計,用于檢測樣品室液態(tài)樣品是否充滿。實驗結(jié)果表明:
(1) 盡管柱狀樣品室裸露于室溫環(huán)境,溫度仍能保持在液氮溫區(qū),波動小于± 0.1 K;
(2) 關(guān)閉真空泵后,低溫靶的漏熱量約增大了2 倍,保溫時間也從205 min 減少到90 min;
(3) 氬氣液化后,關(guān)閉真空泵和冷源,樣品室內(nèi)部的保溫時間為93 min,與無液化樣品時基本相同,滿足了液氮溫區(qū)樣品的沖擊壓縮實驗的要求;
(4) 通過調(diào)節(jié)液氮槽的飽和蒸氣壓,可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)樣品室的溫度,為不同沸點的樣品氣提供合適的液化條件;
(5) 在樣品室成功地得到了液化的氬氣樣品;
(6) 借助針閥內(nèi)部溫度計示值的變化,來判斷樣品室是否充滿液化的樣品的檢測方法切實可行。