硅冷却臂液氢温区控温及热传导特性研究

发布时间：2020-05-19 12:23

【摘要】：惯性约束聚变反应对低温冷冻靶的均匀一致性有着很高的要求，特别是需要严格控制靶丸内部燃料固态层内表面的粗糙度。而靶丸的制备与保存必须提供稳定的液氢温区附近的低温环境；同时，为了监测靶丸的质量，设置了成像诊断系统，该系统要求目标温度波动在1mK以内。燃料靶丸所在的空腔由硅冷却臂夹持，采用硅作为冷却臂材料的主要原因是它在低温下具有极高的热导率，冷量经由硅冷却臂的传递速度非常快，易于对空腔温度进行精确控制。综合以上要求，本课题搭建了一套工作于液氢温区的低温系统，以硅冷却臂为研究对象，研究硅冷却臂上实现波动度在1mK以内的温度控制的方法以及硅冷却臂在系统中的热传导性能。首先，本文工作采用简化后的硅片结构作为研究对象，为其设计并搭建了一套液氢温区控温及热传导特性实验系统。包括真空腔、样品座及夹具的设计与加工制造，冷屏与多层绝热的制作与布置，制冷机、真空机组的选型与连接等。另外，该系统中还包含专用的数据采集系统，基于LabVIEW图形化编程软件，对系统中所使用的控温仪、温度巡检仪、数据采集仪等的控制与数据读取整合至一个LabVIEW程序内，进行数据的自动读取与储存。温度是本课题最主要的测量对象，本文工作为此购置了一批温度传感器。由于传感器数量较多，，并非所有的温度计都有标定数据，因此在实验开始前需对每一支温度计进行细致的标定。为此，在搭好的同一实验台的基础上，额外设计与加工了一个方便布置大量温度计的样品座，专门用于温度计的标定实验。通过标定实验，不仅成功对所有温度计进行了标定以满足使用要求，同时也对各类温度计的特性及适用温区有了较好的总结。在对硅片进行实验之前，本文先对样品座上的控温效果进行了研究，以对实验系统自身的控温性能进行分析与优化。所选取的控温对象是用于与硅片连接的样品座热沉，考察的影响控温效果的因素包括温度计自身的激励、控温的方式、样品座的热容大小以及是否增加二级冷屏。通过大量的对比实验，比较了各个因素对温度控制中抑制波动度的贡献，并最终找到了优化系统控温效果的有效方案。硅冷却臂的实验是本课题中最主要的部分，通过大量实验对硅冷却臂的温度分布、控温特性进行了研究，同时探寻了通过采用集成温度计与加热器于硅片上的方式，提升系统的测量与控温性能。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL632

【参考文献】