氦制冷循环(氦制冷的流程)

1. 氦制冷循环

高温气冷反应堆是由普通的石墨气冷堆发展而来的反应堆。工作原理是：用石墨作为慢化剂，用气体氦作为冷却剂（这就是“气冷”），氦气的温度高达800度左右（这就是“高温”）具体过程是：当反应堆内的核燃料进行核反应时，放出中子，速度太快的中子经过石墨碰撞便慢下来（因为在此堆里只有慢中子才能与铀燃料发生有效反应），以维持核反应。

核反应时要释放出大量的热量，如果不把热量带走，就会烧毁反应堆，所以用气体（氦）流经堆芯，把热量带到热交换器，再由另一路冷却剂把氦气冷却，降温后的氦气又回到堆芯继续冷却反应堆，形成闭式循环回路。这就是高温气冷堆的最简单原理

2. 氦制冷的流程

磁共振冷却系统是由液氦冷屏、冷头、氦压缩机和水冷机组四部分组成。液氦冷屏是磁体的组成部分之一,设有20K、70K两级冷屏,二者的作用都是直接减少辐射传导。

冷头是制冷部件,通过两级缸套端面的铟线圈将低温高压氦气传输到磁共振的两级冷屏上,为低温容器中的液氦降温,保持液氦中超导线圈的环境温度,以隔绝结构导热,降低液氦消耗。它又是一个膨胀机,经过氦压缩机压缩的低温高压氦气在这里膨胀带走周围的热量。冷头的材料主要是丝绸胶木,两级缸套分别以铜丸和铅丸为蓄冷填料。

氦压缩机主要为冷头提供低温高压氦气。氦压缩机中充以高纯度的氦气,并通过软管与冷头相连,工作时,由冷头循环来的热氦气,经过压缩提升压力,在热交换器中与压缩机油交换热量,使温度迅速下降,成为低温高压氦气,经油水分离器滤油,再经吸附器进一步过滤,方送冷头制冷用,此过程即为氦气循环过程。

水冷机组类似于一个空调系统,经过热交换给氦压机提供冷却水。氦压缩机产生的热量最终由循环水带走。通过水冷机组、压缩机和冷头不停地工作,就可以源源不断地为磁共振提供冷量,以达到减少液氦蒸发的目的。

3. 氦气 制冷

因为氦气不具备制冷剂的特性。

制冷剂又称制冷工质，是制冷循环的工作介质，利用制冷剂的相变来传递热量，既制冷剂在蒸发器中汽化时吸热，在冷凝器中凝结时放热。 当前能用作制冷剂的物质有80多种，最常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。不包括氦气。

4. 氦稀释制冷机

气体低温冷凝泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。它使气体凝结，并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力，从而达到抽气作用。低温抽气的主要作用是低温冷凝、低温吸附和低温捕集。

　　1.低温冷凝：气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上，其平衡压力基本上等于冷凝物的蒸气压。抽空气时，冷板温度必须低于25K；抽氢时，冷板温度更低。低温冷凝抽气冷凝层厚度可达10mm左右。

　　2.低温吸附：气体分子以一个单分子层厚(10-8cm数量级)被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上。吸附的平衡压力比相同温度下的蒸气压力低得多。如在20K时氢的蒸气压力等于大气压力，用20K的活性炭吸氢时吸附平衡压力则低于10-8Pa。这样就可能在较高温度下通过低温吸附来进行抽气。

　　3.低温捕集：在抽气温度下不能冷凝的气体分子，被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。

　　一般说来，泵的极限压力就是冷板温度下的被冷凝气体的蒸气压力。温度为120K时，水的蒸气压已低于10-8Pa。温度为20K时，除氦、氖和氢外，其他气体的蒸气压也低于10-8Pa。但由于被抽容器和低温冷板的温度不同，泵的极限压力高于冷凝物的蒸气压。对于室温下的容器，低温板为20K时，泵的极限压力约为冷凝物蒸气压力的4倍。

　　气体低温冷凝泵的再生探讨：

　　1.再生时间

　　①根据运转周期，定期进行再生；

　　②制冷能力降低时(温度达不到20K以下，真空度差)，进行再生。

　　2.再生种类

　　①通常再生：3-8h。

　　②急速再生：当泵内含有毒性、腐蚀性、可燃性气体以及大量的O2水时，泵停止后，进行短时间再生。

　　3.急速再生的实施

　　①关闭高阀，将加热N2或室温N2气由Purge Gas口导入泵腔，被稀释的毒性气体就会通过排气阀放出。这时，冷板的温度若达不到77K以上，泵室的压力就上不去，气体也就无法释放出来，而又会被凝缩在冷头上。

　　用N2进行冲洗时，采用的放气管道来排出N2气。不得已要从安全阀释放时，由于易产生真空泄露，所以有必要对安全阀进行清洗。

　　②用加热毯进行加热。但要注意加热时，温度不能超过70℃。否则，会损坏冷凝泵。

5. 液氦制冷剂

液氮不可以代替co2。

液态氮气在直接施放到某一部位后可以使之冷冻，所以称为冷冻剂；

固态二氧化碳即干冰，有这个效用；

不过它们的冷冻温度不一样。

二氧化碳是不可用做制冷剂的。

液氮的气化温度很低，能快速深冷，二氧化碳就不行。二氧化碳适用于温度不是太低的制冷要求。这主要取决于物质的临界温度和气化温度。

6. 液氦制冷机原理

冷冻相机的工作原理：

1.

芯片内部会存在一种随温度升高而升高的噪声成分——暗电流。作为一种本底噪声,暗电流会累积在像素中,最后被相机读出呈现在图像上。

这类噪声来源是芯片制造工艺中的内部缺陷带来的,由于是异常产生的电子运动,所以温度越高粒子运动越剧烈,这类噪音发生的概率就越高,产生的实际效果就是暗电流越大。

所以当相机在不制冷的状态下长时间工作一段时间,必然会因为其能耗产生的热效应造成芯片的暗电流上升,降低图像的信噪比。

2.

另外还有一个重要的因素会造成暗电流对图像的影响——曝光时间。由于暗电流会随时间积累在像素中,可想而知曝光时间越长,电荷积累的就越多。所以对于一些极弱光需要长时间曝光拍摄的应用,制冷就显得格外重要。

常见的如EMCCD和深制冷的CCD都会用到多级半导体制冷甚至的液氮制冷,以达到-50℃以下的低温,这样极大程度上降低芯片的暗电流水平后,长时间曝光也可