适用于光学实验的可减压低温恒温器的结构设计

　　1　引言

　　低温恒温器是进行低温实验的必要设备,它能够为实验提供低温环境,同时能够屏蔽外界温度、空气及水汽等对实验的影响,因而低温恒温器被广泛应用于在低温环境下热物理性能、材料力学性能、磁力学性能、材料超导性能、光学物理性能及生物医药研制等的研究和测试领域。

　　现在的低温恒温器主要采用低温液体作为冷源来满足实验所需要的低温要求,低温恒温器对低温的要求较高,为了能够工作较长时间,低温恒温器大多数 采用了高真空多层绝热,设备又多为不可拆结构或实验过程中部件间没有相对运动的结构,而在光学实验中要求试样、入射角、反射角角度可调,因而就影响了低温 恒温器在光学实验中的运用,这在传统的低温恒温设备中难以满足。国内这样的设备很少见,国外关于这方面的实验设备存在的问题是:设备刚开始还可以正常工 作,但长时间工作后旋转体之间便不能正常旋转,存在被卡死的现象。就其结构进行分析可以看出,其主要问题是旋转部分轴向设计不对称而产生了轴向力矩;大的 进刀量所产生的切削应力,随着切削应力的时效性消失而产生的应力变形;此外,旋转部件中的焊接所引起的焊接变形同样影响了部件的有效旋转。

　　本文将就这些问题进行探讨,提出了一种适用于光学实验用的低温恒温器的结构设计方案。

　　2　适用于光学实验的可减压低温恒温器的设计要求及基本结构设计

　　1.适用于光学实验的可减压低温恒温器的设计有着较多的要求,其主要设计要求如下:①反射镜相对于固定窗口(如图1(a)所示)从125°转到 155°,转动范围为30°,转动可逆。②对石英玻璃窗口的要求:a.石英玻璃窗口为圆形,直径为 25mm;b.石英玻璃窗口玻璃内表面离转动中心轴的距离为30mm;c.石英玻璃厚度为4mm。③实验要求在58K～77K可调。④冷头与入射镜承体和 反射镜承体的同轴度为±0.1。⑤石英玻璃对光的通透率>85%。

　　2.设备基本结构设计有三部分组成:

　　①提供低温部分的结构设计:

　　冷头由紫铜切削而成,紫铜的热阻小,传热效果好,且冷头处于真空环境中,真空中的传热介质可以忽略,因而冷头在真空环境中接收到由对流而产生的 热量可以忽略不计;同时物体表面的黑度取决于物质种类、表面温度和表面状况,而不涉及外界条件,磨光后的表面法向黑度会剧烈下降,在85K以 下,εn≤0.01,因此我们对冷头采取磨光处理,且由斯蒂芬玻尔兹曼定律:

　(1)

　　式中:Q-为实际物体辐射热流量;ε-为该物体的黑度,对铜磨光后的表面且在85K以下,法向黑度εn≤0.01;σ0-黑体辐射常数,它是自然数,其值为;F-表面积,m2;T-黑体的绝对温度,K。