柱面壓縮液氮低溫靶的設計與實驗研究

　　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構和尺寸，在此基礎上分析計算了靶體的漏熱、樣品室的溫度分布和保溫時間，對結構尺寸進行優(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行了試驗。試驗結果表明: 柱面壓縮液氮低溫靶的溫度可在一定范圍進行調(diào)節(jié)控制; 借助樣品室頂部針閥內(nèi)部的溫度計，結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。

低溫靶靶體的結構設計

　　根據(jù)柱面壓縮低溫靶的技術特點，對低溫靶靶體的結構進行了設計。如圖1 所示為低溫靶系統(tǒng)結構，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構，液氮由進液管流入液氮槽，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。樣品室上部設置低溫閥針，當液態(tài)樣品充滿樣品室后將樣品室封閉。閥針通過細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構要求。

圖1 低溫靶系統(tǒng)結構

1. 樣品室溫度計; 2. 閥針( 液面溫度計) ; 3. 液氮槽; 4. 進液管;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行自動加熱控制。這種控溫方式的精度高，反應快，與設定溫度溫差不超過0. 1 K。上述自動控溫方式只能控制樣品室的溫度，而實際樣品氣進入樣品室之前會經(jīng)過液氮槽預冷，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，堵塞樣品氣通道，為此，需要對液氮槽溫度進行調(diào)節(jié)控制，同時改變樣品室的溫度。當液氮槽內(nèi)存在液氮時，可以在液氮槽的進液管和排氣管分別設置閥門，當關閉兩個閥門時，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行。

結論

　　用于磁加載的柱面壓縮低溫靶，以液氮為冷源，對樣品室進行降溫。低溫靶的樣品室頂部設置了閥針，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。