本文選題：低溫測量　切入點(diǎn)：低溫恒溫器　出處：《華中科技大學(xué)》2014年碩士論文

【摘要】：在低溫物理實(shí)驗(yàn)中，溫度的測量是最基本的測量。與常溫下的溫度測量相比，低溫系統(tǒng)中的要求更為嚴(yán)格。在常溫下一些不被重視的問題如引線漏熱、輻射熱、焦耳熱和接觸熱阻等，在低溫下則變得重要起來。GM制冷機(jī)冷卻的低溫恒溫器在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、運(yùn)行和維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是，受限于GM制冷機(jī)的自身結(jié)構(gòu)和工作原理，，其冷頭處溫度波動較大，并且有振動。對于溫度穩(wěn)定性要求較高的場合，這種溫度波動是相當(dāng)不利的�；谝陨戏治�，本文進(jìn)行了制冷機(jī)冷卻的低溫溫度測量和控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，具體工作內(nèi)容如下： 針對制冷機(jī)冷頭的溫度波動模型，從理論上進(jìn)行了分析求解。根據(jù)解析解可知，溫度波動的幅值主要受材料熱擴(kuò)散率和冷頭波動頻率的影響。熱擴(kuò)散率越小、波動頻率越大，相同的導(dǎo)熱距離上，溫度波動的幅值也越小。分別進(jìn)行了熱阻實(shí)驗(yàn)，氦罐實(shí)驗(yàn)，氦罐和熱阻相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用熱阻的方案可以有效抑制溫度波動，且恒溫器整體結(jié)構(gòu)更簡單、操作更方便。在氦罐實(shí)驗(yàn)中，除4.2K外，其他各點(diǎn)處，溫度波動并不能得到很好的抑制。在氦罐和熱阻結(jié)合的實(shí)驗(yàn)中，溫度波動峰峰值控制在3mK以內(nèi)。 對制冷機(jī)冷卻的低溫恒溫器中溫度的控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過PID控制的方法，控制樣品架上溫度的升降溫速率。采集了PID控制時(shí)樣品架上溫度波動的短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，受限于制冷機(jī)本身性能，恒溫器中存在一個(gè)最大降溫速率和一個(gè)最慢升溫速率。采用PID控制的方法可以很好的控制樣品架上勻速升降溫。采用PID控制，樣品架上長期穩(wěn)定性良好，4.2K處溫度波動控制在±1.5mK，溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.339mK。 設(shè)計(jì)了制冷機(jī)停開機(jī)實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行簡單的前期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。測量了連接部件之間總的接觸熱阻并進(jìn)行分析。在制冷機(jī)停開機(jī)實(shí)驗(yàn)中，制冷機(jī)停機(jī)之后，樣品架上溫度保持在7K附近，波動范圍為6.9990K-7.0030K，穩(wěn)定時(shí)間約為650秒。穩(wěn)定時(shí)間和控溫穩(wěn)定性符合實(shí)驗(yàn)要求。
[Abstract]:In the low temperature physics experiment , the temperature measurement is the most basic measure . Compared with the temperature measurement at normal temperature , the requirement of the low temperature system is more strict . The low temperature thermostat cooled by the GM refrigerator is widely used in many fields .

According to the analytical solution , the amplitude of the temperature fluctuation is mainly influenced by the thermal diffusivity of the material and the fluctuation frequency of the cold head . The experimental results show that the temperature fluctuation can be effectively suppressed by using the thermal resistance scheme .

The control of temperature in a cryogenic thermostat cooled by a refrigerator is experimentally studied . The temperature fluctuation of the sample holder is controlled by PID control . The short - term stability and long - term stability data of the temperature fluctuation in the sample holder are controlled by PID control . The experimental results show that the temperature fluctuation of the sample holder is controlled by PID control .

This paper designs a test scheme for the start - up of a refrigerator and performs a simple preliminary experiment . The total contact thermal resistance between the connecting parts is measured and the analysis is carried out . After the refrigerator is stopped , the temperature of the rack is kept close to 7 K , the fluctuation range is 6.9990K - 7.0030K , and the settling time is about 650 seconds . The stability time and the temperature control stability are in accordance with the experimental requirements .

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O51;TB651

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本文編號：1669975