一种可分区控温的无液氦极低温制冷机装置的制作方法

1.本发明涉及低温制冷技术领域，尤其涉及一种新型无液氦极低温制冷机，在本发明中特别涉及一种可分区、广域控温的无液氦极低温制冷机装置。

背景技术：

2.在极低温下，材料的量子行为得以呈现，例如石墨烯超晶格样品的反常量子霍尔效应，其研究需要在1.5k温度下，2t磁场条件下观测量子化平台迹象。因而，极低温(10-300mk)、强磁场(2-15t)的极端环境下对量子器件进行调控是目前物理学、材料学等研究的重要方向之一，其配套的设备为基础科学前沿装置。
3.无液氦极低温制冷机是最常见的实现极低温强磁场环境的实验设备，具有长时间稳定运行，集成度高，使用维护方便的特点。其主要组成部分包括：4k制冷机、极低温制冷单元、超导磁体和外部循环气路等。并通过4k制冷机、3he和4he极低温制冷单元逐级降温，从而实现内部mk级的温度环境；同时，4k制冷机也为超导磁体工作所需的超导态提供了4k温度环境，以达到正负数t范围内连续可变磁场的实验环境，此时磁体线圈工作电流可达到100a。
4.现有设备中由于超导磁体与样品处于同一密封腔体内；样品、4k制冷机、极低温制冷单元和超导磁体之间会有复杂的热连接关系。因此存在系统使用的局限性，如当样品温度加热到4k以上时，制冷机中的超导磁体相应地，也将会由于受到加热影响，到达其超导临界温度以上，使其无法正常运行，无法产生足够的磁场强度。因此现有制冷装置中，量子器件等样品的调控研究只能在低于4k的温度下开展。
5.受限于现有无液氦极低温制冷机及超导磁体设备的设计结构，样品无法在同一套低温强磁系统中，进行高于4k甚至高于50k以上的实验测量或者退火。通常的如果需要高温测量，只能通过将样品取出后换至其他测试平台；退火则需要将系统整体回温(回复到室温)，然后再次降至低温，全程所需时间往往是在50小时以上。综上，现有用于低温强磁的无液氦极低温制冷机存在以下问题：
6.1.集成有超导磁体的无液氦极低温制冷机，无法实现大温度范围的样品控温实验，现有方案在样品仓内，只能在最低温(mk)至4k之内控温；
7.2.无法实现样品快速的升降温，特别是需要在最低温至室温或更高温度之间反复变化，现有的技术下只能系统整体升降温，而系统整体降温时间长达50小时。
8.因此，本领域需要一种能稳定提供超导磁体4k以下工作环境，并同时在样品所在的局部空间内，实现广域连续控温的技术方案。

技术实现要素：

9.本发明针对以上问题，提供了一种无液氦极低温制冷机的可分区控温的制冷机装置，在系统整体不需要回温，并且超导磁体可以于4k冷屏蔽腔室的环境正常运行，并提供强磁场(2-15t)情况下，增加了样品局部空间在4k温度到340k之间的连续控温功能，扩展了现
有无液氦极低温制冷机的使用范围。
10.为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
11.一种可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，包括样品架组件、第一k级冷盘组件，第二k级冷盘组件，第一mk冷盘，第二mk冷盘，极低温制冷模组和制冷机，其中：
12.第一k级冷盘组件、第二k级冷盘组件、第一mk冷盘和第二mk冷盘从上到下依次间隔预定的距离，并全部设置在真空腔中；
13.各级冷盘之间均通过低温金属支撑柱连接。
14.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：低温金属支撑柱两端通过螺纹固定。
15.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：
16.制冷机包括真空罩，低温金属支撑柱，第一铜辫和第二铜辫；制冷机主体下部由真空罩包裹，真空罩内部构成所述真空腔。
17.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：制冷机主体安装在真空罩的顶盘上，制冷机的低温端第一台阶与第一k级冷盘组件通过第一铜辫热接触，制冷机的低温端第二台阶与第二k级冷盘通过第二铜辫热接触。
18.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：制冷机包括g-m制冷机、脉管制冷机、斯特林制冷机。
19.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：极低温制冷模组包括氦气进气管道，氦气抽气管道和极低温制冷混合室；
20.极低温制冷混合室安装在第二mk冷盘上；极低温制冷混合室上部通过氦气进气管道和抽气进气管道与真空腔外部的循环系统相连通；
21.氦气进气管道和氦气抽气管道依次穿过各级冷盘对应的安装孔，并与其穿过的各级冷盘间热接触。
22.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：
23.极低温制冷混合室与氦气进气管道和氦气抽气管道以及真空腔外部循环系统构成封闭循环气路。
24.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：还包括超导磁体，超导磁体安装在真空腔底部，超导磁体为中空的圆环状结构，通过多根支撑导热柱与第二k级冷盘固定热连接。
25.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：还包括样品架，超导磁体环绕在样品架的安装部周围。
26.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：还包括第一热辐射屏蔽层和第二热辐射屏蔽层，第一热辐射屏蔽层方式安装在第一k级冷盘的下盘面，与第一k冷盘下盘面保持热连接；第二热辐射屏蔽层为有两层台阶筒状结构，安装在第一mk冷盘下盘面，并与第一mk冷盘保持热连接。
27.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：超导磁体处于冷屏蔽腔室内，冷屏蔽腔室由第一热辐射屏蔽层和第一k级冷盘形成外层热辐射屏蔽，冷屏蔽腔室由第二热辐射屏蔽层和第一mk冷盘形成内层热辐射屏蔽。
28.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：第二热辐射屏蔽层和第一mk
冷盘形成样品工作区。
29.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：其中第二mk冷盘通过支撑导热柱连接至第一mk冷盘；第二mk冷盘的一侧固定有极低温制冷混合室；第二mk冷盘的中心开有一个安装孔，第二mk冷盘在该安装孔两侧对称安装有多个z轴压电位移台和多个导热柱。
30.所述可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其中：样品架包括中间的盛放部和盛放部两侧的安装部；盛放部两侧的安装部底面设有两个圆锥形凹槽，用于与导热柱顶部的圆锥部进行接触。
附图说明
31.图1是可分区控温的无液氦极低温制冷机装置的系统框图；
32.图2是超导磁铁内外冷屏蔽的剖视图；
33.图3是热开关模组的示意图；
34.图4是可局部广域控温的结构示意图；
35.图5是热接触可调控的样本架组件状态示意图，a为样本架组件与第二冷盘接触的状态，b为样本架组件与第二冷盘脱离接触的状态；
36.图6是第二类无液氦极低温制冷机装置的系统框图；
37.图7是可局部广域控温的算法流程框图。
38.图中1是真空腔，2是样本架组件，3是50k级冷盘组件，4是4k级冷盘组件，5是第一mk冷盘，6是第三mk冷盘，7是第二mk冷盘，8是极低温制冷模组，9是4k制冷机。
39.样本架组件2中，20是样品工作区，25是样品架，26是螺丝，27是样品温度传感器，28是加热器，29是样品台。
40.50k级冷盘组件3中，30是冷屏蔽腔室，31是第一热辐射屏蔽层，32是支撑导热柱，33是第二热辐射屏蔽层，34是超导磁体，35是连通气路管，36是热开关模组，37冷盘温度传感器。
41.热开关模组36中，361是热开关密封罩，362是密封凹槽，363是50k冷盘安装座，364是储液槽，365是加热器，366是吸附材料。57是连通气路管安装座。
42.极低温制冷模组7中，70是导热柱，72是z轴压电位移台，721是压电位移台驱动器，73是绝热垫片。
43.极低温制冷模组8中，81是氦气进气管道，82是氦气进气阀门，83是氦气抽气管道，84是氦气抽气阀门，87极低温制冷混合室。
44.4k制冷机9中，91是制冷机真空罩，92是低温金属支撑柱，93是第一铜辫，94是第二铜辫。
具体实施方式
45.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
46.本发明如图1-7所示，包括以下内容：
47.如图1所示，可分区控温的无液氦极低温制冷机装置包括样品架组件2、50k级冷盘
组件3，4k级冷盘组件4，第一mk冷盘5，第二mk冷盘7，极低温制冷模组8，4k制冷机9等部件。
48.本技术中，各级冷盘从上到下依次间隔预定的距离，并全部设置在制冷机9的真空罩91内部也就是说设置在真空腔1中，真空腔1从上至下依次设置有50k级冷盘组件3、4k级冷盘组件4、第一mk冷盘5、第二mk冷盘7；各级冷盘之间均通过导热性较差的低温金属支撑柱92连接。
49.优选的，低温金属支撑柱92两端可以通过螺纹固定，并根据各级冷盘的高度要求而设置不同的高度。
50.本技术中，4k制冷机9是本装置的主要冷却部件，用于为各装置提供低温环境。其中，4k制冷机包括制冷机真空罩91，低温金属支撑柱92，第一铜辫93，第二铜辫94等。4k制冷机9主体下部由制冷机真空罩91包裹，制冷机真空罩91为圆柱状，内部构成密闭真空腔1，制冷机真空罩91外部为室温及大气环境。无液氦极低温制冷机装置处于工作状态时内部为真空，真空腔1可以避免气体介质导致的热转导路径，因而限定了真空腔1内以热传导和热辐射两种热传递方式为主，其中热传导中传热元件的热接触、热阻等可进行调控。
51.本技术中，4k制冷机9主体安装在制冷机真空罩91的顶盘上，4k制冷机9的低温端第一台阶与50k级冷盘组件3通过圆环状的铜辫93实现热接触，在机械压力下保证良好的热连接；4k制冷机9的低温端第二台阶与4k级冷盘4通过圆环状的铜辫94实现热接触，在机械压力下保证良好的热连接。
52.4k制冷机9是稳定的低温源，作为一级制冷，为与其之间存在良好热传导路径的组件提供低温冷却能力。经过设计时长的运行，4k制冷机9可以将50k级冷盘3冷却至50k级别温度，进一步可为50k至70k温度；4k制冷机9可将4k级冷盘4降温至4k级别温度，进一步可为3k至5k温度。
53.本技术所示的4k制冷机9，包括但不限于g-m制冷、脉管制冷ptr、g-m脉管制冷、斯特林制冷机等。4k制冷机9主体为中空低温金属圆筒状体，可包括低温端第一台阶和低温端第二台阶，其一部分从上到下穿过制冷机真空罩91对应位置的圆孔，与制冷机真空罩91进行固定，同时穿过50k级冷盘组件3、4k级冷盘组件4对应位置的圆孔，经过铜辫93和铜辫94分别与50k级冷盘组件3、4k级冷盘组件4分别进行可靠热接触。
54.本技术中，极低温制冷模组8是本装置的核心低温冷却部件，包括氦气进气管道81，氦气进气阀门82，氦气抽气管道83，氦气抽气阀门84，极低温制冷混合室87。极低温制冷混合室87安装在第二mk冷盘7上，二者通过螺纹连接，与第二mk冷盘热接触良好；极低温制冷混合室87上部，通过氦气进气管道81和氦气抽气管道83与真空腔1外部的循环系统(图中未示出)相连通。氦气进气管道81和氦气抽气管道83依次穿过各级冷盘(50k冷盘3、4k冷盘4、第一mk冷盘5)对应的圆孔，并与其穿过的各级冷盘间有良好的热接触。
55.极低温制冷混合室87与氦气进气管道81和氦气抽气管道83以及真空腔外部循环系统组成一个封闭循环气路，3氦(3he)和4氦(4he)混合气体在该封闭循环气路内部循环流动。氦气进气管道81和氦气抽气管道83在真空腔1外部各串行安装有氦气进气阀门82和氦气抽气阀门84，用于部分控制封闭循环气路。
56.在4k制冷机9一级制冷运行正常后，可打开氦气进气阀门82和氦气进气阀门84，真空腔外部的3he和4he混合气体会在闭循环气路中循环流动，通过极低温制冷原理实现进一步的降温，进而提供深低温冷量，并将第一mk冷盘5和第三mk冷盘6分别冷却至其设计的最
低温度。
57.本技术中，极低温制冷阶段将减少极低温制冷混合室87稀相中3he原子的浓度，为维持固定的浓度，浓相中的3he原子就要通过相界面扩散到稀相中加以补充，这一过程是熵增加的过程，产生深低温制冷的效果。通过管道将混合室中的稀相经热交换器通到温度在0.6-0.7k的蒸馏室，在这一温度下液体3he蒸汽压远高于液体4he，抽走的气体中基本上是3he成分，由此稀相中3he的浓度减小。极低温制冷机8可长时间维持在mk范围的温度，具有较大的冷却能力且使用方便，是获得mk温度最重要的方法，也是本技术中的mk级制冷源。
58.本技术中，超导磁体34是具有高电流密度、高临界温度和高临界场强的新型电磁体，由低温下用具有高转变温度和高临界磁场的超导体制成线圈，可在4k低温工作状态下产生2-15t强磁场的极端实验环境。超导磁铁34可以为螺线管超导磁体、分立线圈超导磁体、矢量磁体等。超导磁体34安装在真空腔1最底部，超导磁体34为中空的圆环状结构，通过多根支撑导热柱32与4k级冷盘4固定热连接，由此4k级冷盘4经由支撑导热柱32、可对超导磁体34进行降温冷却。超导磁体34的安装位置处于第二mk冷盘7下部，环绕在样品架29的安装部周围，超导磁体34产生的强磁场均匀分布在样品架29所在空间，提供所需强磁场实验环境。
59.本技术中，超导磁体34采用双极型四象限超导电源供电，具备自动降场、远程控制、失超保护等功能,远程控制接口可以是usb、rs-232或ethernet等。电源为磁体线圈充电，其充电电压可为10-50v，电流为0-150a连续变化。超导磁体34处于第一热辐射屏蔽层和第二热辐射屏蔽层所形成的密封空间中，确保超导磁体34工作在超导临界稳态，可以产生-15t至15t范围内连续可变磁场。
60.如图2所示，为了确保超导磁体34工作在超导临界稳态，本技术设计了第一热辐射屏蔽层31和第二热辐射屏蔽层33。第一热辐射屏蔽层31呈薄层圆筒状，经螺纹连接的方式安装在50k级冷盘3下盘面上，与50k冷盘3下盘面保持良好的热连接，由第一热辐射屏蔽层31和50k级冷盘3形成外层热辐射屏蔽；进而由铜辫93连接至4k制冷机9，以在4k低温下实现外层完整的热辐射屏蔽作用。第二热辐射屏蔽层33为有两层台阶的薄层圆筒结构，经螺纹连接的方式安装在第一mk冷盘5下盘面，并与第一mk冷盘5保持良好的热连接，由第二热辐射屏蔽层33和第一mk冷盘5形成内层热辐射屏蔽；在热开关模组36控制下，实现完整的低温热辐射屏蔽作用。
61.如图2所示，超导磁体34、第一热辐射屏蔽层31和第二热辐射屏蔽层33及各级冷盘均工作在真空腔1内；同时超导磁体34处于冷屏蔽腔室30内，冷屏蔽腔室30由第一热辐射屏蔽层31和50k级冷盘3形成外层热辐射屏蔽，冷屏蔽腔室30由第二热辐射屏蔽层33和第一mk冷盘5形成内层热辐射屏蔽。冷屏蔽腔室30内部是样品工作区20，冷屏蔽腔室30与样品工作区20之间由第二热辐射屏蔽层33和第一mk冷盘5形成的内层热辐射屏蔽分隔开。因此，本技术设计了多个相对独立的分区，以实现不同区域的温度、磁场和真空等环境变量的独立控制。
62.本技术中，无液氦极低温制冷机装置整体在真空腔1中进行降温，由制冷机真空罩91将外部室温大气环境与真空腔1分隔开，并由安装至制冷机真空罩91的4k制冷机提供整体的内部50k级低温、真空环境。
63.更进一步的，如图2所示，构成4-50k低温环境的组件包括50k级冷盘3包括第一热
辐射屏蔽层31，支撑导热柱32，第二热辐射屏蔽层33，超导磁体34，连通气路管35，热开关模组36，冷盘温度传感器37。其中连通气路管35和热开关模组36用于自动化地调控第一mk冷盘5以及第二热辐射屏蔽层33的温度。
64.如图3所示，热开关模组36通过是否建立液体/气体继而形成热开关，来控制50k冷盘3和第一mk冷盘5之前的热连接强弱。热开关模组36包括热开关密封罩361，密封凹槽362，50k冷盘安装座363，储液槽364，加热器365等。热开关模组36底部为中间设有一通孔的50k冷盘安装座363，后者经由螺钉安装在50k级冷盘3上；热开关模组36上部为圆柱壳状的热开关密封罩361，提供液氦的整体密封，密封凹槽362位于50k冷盘安装座363与热开关密封罩361之间，通过密封凹槽362中填入的铟密封圈，将热开关密封罩361和50k冷盘安装座363密封。热开关密封罩361内部焊接有储液槽364；加热器365安装在储液槽底部，经由控制线连接至控制电路。热开关模组36中设置有加热丝和温度传感器，控制电路经导线，穿过制冷机真空罩91，并与外部的第一温控仪369连接。
65.50k冷盘安装座363通过底部中央的通孔与连通气路管35的一端焊接相连。连通气路管35分为内外两层管状结构，包括气路管外通道351和气路管内通道352，均为低温金属304材质，连通气路管35外层与连通气路管安装座57焊接在一起，内层不与连通气路管安装座57直接连接，保持悬空。连通气路管安装座57内侧安装有加热器353。
66.连通气路管35另一端穿过4k级冷盘4，经由气路管安装座57固定至第一mk冷盘5，将热开关模组36和第一mk冷盘5连接在一起。连通气路管35中灌入1个大气压的氮气，热开关模组36和连通气路管35之间的连接处密封处理，防止氮气逸散或进入空气。
67.进一步的，50k冷盘安装座363用于将热开关模组36安装在50k级冷盘3上，连通气路管安装座57用于将连通气路管35安装在第一mk冷盘5上。
68.如图3所示，热开关模组36可通过控制热传导介质(例如氮气)，调节50k级冷盘3和第一mk冷盘5之间的热阻，进而调节固定至第一mk冷盘5的第二热辐射屏蔽层33温度，其工作原理包括：
69.当4k制冷机9正常工作时，50k级冷盘3温度为50k，冷量通过50k级冷盘安装座363、热开关密封罩361将氮气冷凝在储液槽364中，少部分液氮会通过连通气路管35进入到气路管内通道352中，通过开启加热器353，使得液氮气化上升至顶部，重新冷凝至储液槽364中。此时全部液氮已经液化，热开关腔体内处于真空状态，即热开关模组36处于关闭状态。此时50k级冷盘3和第一mk冷盘5之间没有直接热接触。
70.开启加热器365，储液槽364中液氮气化，在363处冷凝进入连通气路管35的气路管外通道351，将冷量带入到下方第一mk冷盘5上，受热的液氮38会气化进一步带走热量，并通过连通气路管35内层回到上方重新冷凝，即热开关模组36处于开启状态。此时50k级冷盘3和第一mk冷盘5之间形成直接热接触，进而第一mk冷盘5主要制冷量由铜辫93所连接的4k制冷机9产生，并为第二热辐射屏蔽层33提供稳定热屏蔽。
71.如图3、4所示，本技术中第二热辐射屏蔽层33和第一mk冷盘5形成相对封闭的样品工作区20，其中第二mk冷盘7整体为中央开孔的圆环盘状结构，通过支撑导热柱连接至第一mk冷盘5。第二mk冷盘7的一侧通过螺纹连接，固定有极低温制冷混合室87，其与第二mk冷盘7热接触良好；极低温制冷混合室87提供mk级冷源，可冷却第二mk冷盘7至mk低温状态。第二mk冷盘7的中心开有一个安装孔，第二mk冷盘7在该安装孔两侧对称安装有多个z轴压电位
移台72和多个导热柱70。其中z轴压电位移台72可在驱动电压作用下调节高度，其上端通过绝热垫片73由螺丝26固定有样本架25。
72.z轴压电位移台72和导热柱70数量可以为2-5个，可以依据样品架载荷质量和制冷要求分别进行设置。优选的，本技术中采用2个z轴压电位移台72和2个导热柱70。
73.如图4所示，本技术中，样本架组件2是实验用样本的夹持和测试的核心区域，整体位于样品工作区20内，为悬挂式结构，包括样品架25，螺丝26，样品温度传感器27，加热器28，样品台29等。其中样品架25包括位于底部中间的盛放部和盛放部上部两侧的安装部，所述盛放部上部与安装部通过冷屏进行竖直连接，低温金属丝可高效进行热传导，下部垂直向下延伸；盛放部两侧的安装部底面设有两个圆锥形凹槽，用于与导热柱70顶部的圆锥部进行接触，并进行可靠热传导。
74.如图5所示，z轴压电位移台72底部安装在第二mk冷盘7上，z轴压电位移台72上表面固定有隔热材质的绝热垫片73；导热柱70竖直安装在第二mk冷盘7上，顶部为圆锥形。样品架25盛放部两侧的安装部安装在绝热垫片73上，通过螺丝26固定在z轴压电位移台72上。
75.当z轴压电位移台72处于收缩状态时，样品台29处于低位，导热柱70顶部的锥形部位正好嵌入样品架安装部底面凹槽中，可进行热传导。当z轴压电位移台72处于伸长状态时，样品台29升高并与导热柱70脱离，断开样本架与第二mk冷盘的热连接，从而调控局部控温区的热容量、减少高温控温时的加热质量，提高了升降温的效率。
76.优先的，本发明z轴压电位移台72可采用压电式的升降位移台，并由压电位移台驱动器721进行驱动，从而驱动z轴压电位移台72沿竖直方向进行精密的上下移动。压电位移台可以在极低温下运行，仅需电压驱动，进而减少了真空腔内部机械结构的复杂程度，并且可以减少样品台与室温端额外的机械连接，减小漏热的风险。
77.样品架25安装部经过z轴压电位移台72、绝热垫片73安装至第二mk冷盘7的安装孔中，安装部下部为可盛放有样品的样品台29，样品台用于夹持待测试样本，并提供必要的电气连接。样品台29中设有加热器28，样品台侧面设有样品温度传感器27，加热器28和样品温度传感器27的信号线与外部第二温控仪连接。冷盘温度传感器37安装在第二mk冷盘7上，信号线与外部第一温控仪连接。
78.无液氦极低温制冷机装置的主体处于真空腔1中，由4k制冷机9进行一级降温，由极低温制冷模组8进行二级降温。由热开关模组36控制50k冷盘和第一mk冷盘之前的热连接强弱；由z轴压电位移台72控制导热柱70和样品架25之间的热接触。
79.本技术中，样品工作区20的直径可以为30-100mm，优选为50mmm。采用静态交换气设计，样品处于静态交换气中；样品工作区20和制冷氦气流隔绝，以防止制冷氦气流回路阻塞。
80.本系统中设计了真空腔1、冷屏蔽腔室30和样品工作区20等三个相对独立的空间分区，以实现不同区域的温度、磁场和真空等环境变量的独立控制。其中真空腔1提供整体空间的低真空状态，避免热对流；冷屏蔽腔室30为超导磁体34提供4k级低温超导临界环境；样品工作区20及超导磁体34为样本台29提供局部强磁场及温度可调的工作环境。
81.样品台29及第二mk冷盘7采用两个独立的温控回路，可同时控制第二mk冷盘7温度和样品台29上样品附近的温度。也就是，样品台29附近样品温度传感器27的信号线与外部第二温控仪271连接，第二mk冷盘7上安装的冷盘温度传感器37，信号线与外部第一温控仪
369连接。外部第一温控仪369同时调控热开关模组36和第二mk冷盘7温度。各温控仪含有气流读取功能，可通过独立的扩展卡升级至同时控制4个pid通道。
82.优选的，外部第二温控仪271采用pid控制回路，由样品温度传感器27测量温度，由样本台29底部的加热器28进行加热，当采用制热时可以实现1.5k-340k范围内的温度，并可以持续工作在1.5k。
83.优选的，当采用系统标准样品杆时，其控温精度为
±
0.05k，当控温为1.2k以下时控温精度为
±
3mk，当控温为1.2k以上时控温精度为
±
0.1k。
84.本技术中，样品架25可配备为12-36针的航空电学接头，并含有标定的cernox温控传感器和加热器等。
85.本技术的另一实例中，在第一冷盘和第二冷盘之间，还可设置有第三冷盘6，构成第二类无液氦极低温制冷机装置。
86.如图6所示，第二类无液氦极低温制冷机装置中，各级冷盘从上到下依次间隔预定的距离，并全部设置在制冷机真空罩91内部，也就是说在真空腔1内、从上之下依次设置50k级冷盘组件3、4k级冷盘组件4、第一mk冷盘5、第三mk冷盘6、第二mk冷盘7；各级冷盘之间均通过导热性较差的低温金属支撑柱92连接。
87.优选的，第一mk冷盘5的温度值为900mk，第二mk冷盘7的温度值为10mk，第三mk冷盘6的温度值为150mk。
88.如本领域所知晓的，上述的温度值是指相应装置的最低工作温度，例如第二mk冷盘7的最低温度是10mk。
89.优选的，本技术中低温金属包括但不限于奥氏体不锈钢、镍钢、低合金铁素体钢、铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、铁基超合金、双相钢等适合低温(0
°
c以下至绝对零度)使用的金属及合金材料。
90.当进行4k以下控温实验时，通过第二外部温控仪271对样品进行控温，即可在制冷机持续制冷的情况下进行制热，以控制样品温度。
91.进一步地，本发明的装置中进行4k以上控温实验的运行过程如图7所示，包括：先通过第二外部温控仪271对样品进行加热，当温度超过4k时，触发冷盘温度传感器37，第一外部温控仪271给予z轴压电位移台72控制器指示，该压电位移台控制器控制z轴压电位移台72升高5mm，托起样品架25。此时样品架25与导热柱70脱离。氦气进气阀门82将会关闭，极低温制冷混合室87、氦气进气管道81和氦气进气管道83内的氦气将会被外部循环系统通过氦气进气管道83抽走，使极低温制冷混合室87、氦气进气管道81和氦气进气管道83内形成真空绝热。同时第一温控仪369将会加热热开关模组36释放其中的氮气，氮气将充满连通气路管35,使50k级冷盘3与第一mk冷盘5热连接良好。保证了第一mk冷盘5和第二热辐射屏蔽层33有足够的4k冷量，来屏蔽样品台29处高温的热辐射，使其不会加热超导磁体34；避免了样品台高温对超导磁体34的影响，避免温度过高导致超导磁体34失去超导状态，而无法正常运行。样品最高可控温度可以达到340k。
92.进一步地，本发明的装置中样品台温度从高于50k降至50k的运行过程如下：压电位移台控制器将会驱动z轴压电位移台72，使样品架25下降至低位，此时样品架25盛放部两侧的安装部底部凹槽与导热柱70顶部的锥形部契合，样品架25与导热柱70热接触良好，并将第一mk冷盘5上50k的冷量传递给样品台29。控制器通过打开氦气进气阀门82，外部循环
系统中的氦气将会重新回到极低温制冷混合室87中，并对第二mk冷盘7进行冷却，进而将冷量传递给样品台29。
93.进一步地，本发明的装置中样品台温度从50k降至4k的控温过程如下：第一温控仪369将会关闭热开关模组36的加热器365，热开关模组36降温后将存储连通气路管35中的氮气，连通气路管35中处于真空状态，阻断50k级冷盘4与第一mk冷盘5之间的热连接。压电位移台控制器将会驱动z轴压电位移台72，使样品架25下降到底，此时样品架盛放部两侧的安装部底部凹槽与导热柱70顶部的锥形件契合，样品架25与导热柱70热接触良好。通过打开氦气进气阀门82，外部循环系统低功率运行，其中的氦气将会重新回到极低温制冷混合室87中，将4k级冷盘4上4k的冷量传递给样品台。
94.需要再次降低至4k以下温度时，外部循环系统将高功率运行，启动极低温制冷模组8，第二mk冷盘将逐步降温至4k以下并达到mk级温度。
95.通过本发明，能够有效拓展极低温制冷机在负载超导磁体(数t磁场强度)的情况下的实验温度范围，由传统的mk-4k拓展至mk-340k温度范围。并且样本工作区的温度控制和超导磁体所在的冷屏蔽腔室的温度控制相互独立，并通过控制热开关模组和自动控制样品台来降低两者间温度的相互影响。同时避免了退火回温所带来的反复抽真空及降温时间消耗，提高了实验效率。
96.本发明首先通过控制热开关模组的气体开关，来控制50k级冷盘和第一mk冷盘之前的热连接强弱。在样品台处于4k以上高温时，导通50k级冷盘和第一mk冷盘之间的热连接，保证具有较大制冷功率的4k温度冷量传递到第一mk冷盘，从而能屏蔽样品台高温对超导磁体的热辐射影响；在样品台处于4k以下低温时，阻断50k级冷盘和第一mk冷盘之间的热连接，屏蔽4k冷级的超导磁体对样品位置的热辐射影响。
97.本发明还通过自动控制样品台的高度，以调控样品架和第二mk冷盘的的热连接强度，例如将样品台升高、断开样本架与第二mk冷盘的热连接，从而调控局部控温区的热容量、减少高温控温时的加热质量，提高了升降温的效率。本发明可采用压电式的升降位移台，在极低温下运行，仅需电压驱动，进而减少了真空腔内部机械结构的复杂程度，并且可以减少样品台与室温端额外的机械连接，减小漏热的风险。
98.本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，包括样品架组件、第一k级冷盘组件，第二k级冷盘组件，第一mk冷盘，第二mk冷盘，极低温制冷模组和制冷机，其特征在于：第一k级冷盘组件、第二k级冷盘组件、第一mk冷盘和第二mk冷盘从上到下依次间隔预定的距离，并全部设置在真空腔中；各级冷盘之间均通过低温金属支撑柱连接。2.根据权利要求1所述的可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其特征在于：低温金属支撑柱两端通过螺纹固定。3.根据权利要求1所述的可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其特征在于：制冷机包括真空罩，低温金属支撑柱。4.根据权利要求3所述的可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其特征在于：制冷机主体安装在真空罩的顶盘上。5.根据权利要求1所述的可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，其特征在于：制冷机包括g-m制冷机、脉管制冷机、斯特林制冷机。

技术总结

本发明公开了一种可分区控温的无液氦极低温制冷机装置，包括样品架组件、第一K级冷盘组件，第二K级冷盘组件，第一mK冷盘，第二mK冷盘，极低温制冷模组和制冷机，其中：第一K级冷盘组件、第二K级冷盘组件、第一mK冷盘和第二mK冷盘从上到下依次间隔预定的距离，并全部设置在真空腔中；各级冷盘之间均通过低温金属支撑柱连接。柱连接。柱连接。