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面向空间天文探测的液氦温区脉冲管制冷机理研究

批准号:
12073058
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
陈六彪
学科分类:
光学、紫外和红外天文技术和方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈六彪

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
在我国大力推动天体物理及宇宙学前沿研究的背景下,空间天文探测项目对制冷机的需求日益增多。然而目前国内空间制冷机工作温度都高于20K,更低温区制冷技术发展滞后,成为我国极低温天文探测发展的一大瓶颈。本项目探索使用脉冲管制冷机直接获得液氦温区温度。围绕空间天文探测的“更低温度”、“多温区供冷(冷却探测器、多个辐射屏和引线热沉)”和“重量轻”等实际需求,开展气耦合脉冲管制冷机理与流程研究。在揭示高频回热损失机制和探明非理想气体效应抑制与利用途径的基础上,研制出原理样机。相对国外“多级预冷+节流”方案,高效工作区间从2-5K提高至2-20K,运动部件压缩机数量从4-5个减少至1-2个。研究成果可直接满足“宇宙热重子探寻计划”、“觅音计划”,以及量子超导干涉器件、超导纳米线单光子探测器和不同波段探测器对2-20K制冷技术的迫切需求,其紧凑的结构和固有的低振动属性也为发展轻量化mK制冷系统奠定基础。
英文摘要
Under the background that China vigorously promotes the research of the frontier of astrophysics and cosmology, the demand for the refrigerator for space astronomy exploration projects increasing rapidly. The working temperature of the space refrigerator that has been successfully applied in China is higher than 20 K, and the development of the refrigeration technology in the lower temperature zone is lagging behind, which is a major bottleneck restricting the exploration of ultra-low-temperature astronomy in China. This project explores the use of a pulse tube refrigerator to obtain the liquid helium temperature directly. Based on the actual requirements of "lower temperature", "cooling at multiple temperatures (In addition to the detector, it is necessary to cool the radiation shields and heat sinks outside the detector.)" and "lightweight" for space astronomical exploration, the gas-coupled pulse tube refrigerator mechanism and refrigeration process will be studied. A prototype will be developed based on revealing the mechanism of high-frequency regenerator loss and identify ways to suppress and utilize non-ideal gas effects. Compared with the foreign "multi-stage pre-cooling + JT" scheme, the efficient working range is increased from 2-5 K to 2-20 K, and the number of moving part compressors is reduced from 4-5 to 1-2. The research results can directly meet the urgent demand of 2-20 K refrigeration technology for satellite programs such as "Hot University Baryon Surveyor" and "Mi Yin", as well as quantum superconducting interference devices, superconducting nanowires single-photon detectors and detectors of different wavebands. Its compact structure and inherent low vibration properties also laid the foundation for the development of a lightweight mK refrigeration system.
在国家高度重视航天事业发展,大力推动天体物理及宇宙学前沿研究的背景下,空间天文探测项目对制冷机的需求日益增多。然而目前国内空间制冷机工作温度高于20K,更低温区制冷技术发展滞后,成为我国低温天文探测发展的一大瓶颈。基于空间探测对制冷机“能在多温区同时供冷”、“制冷温度要更低”和“制冷机重量要更轻”的实际需求,对“液氦温区脉冲管制冷机方案设计和流程优化”、“液氦温区制冷工质气体的非理想效应”和“液氦温区高频回热器损失机制”三方面内容开展了研究。设计了一种高效气耦合脉冲管制冷流程,通过分析计算和实验验证揭示了液氮和液氢温区惯性管和双向进气对气耦合级间制冷性能的弱相关性;测量了常用蓄冷材料液氢液氦温区热导率系数等关键参数,填补了相关数据空白,并理论分析了回热器的热力学性能,揭示了多路冷量输出对整机制冷性能的影响规律;给出了3He-4He混合物不同配比对应的脉冲管制冷机理论极限制冷效率,并通过数值计算明确了二级气耦合结构采用3He替换4He后的优化方向。成功研制出液氦温区高频脉冲管制冷机原理样机,预冷型二级气耦合结构获得了创同类制冷机国际无负荷最低温度记录的2.42K。该制冷机典型制冷量为26.94mW/4.2K@782W,61.2mW/6K@612W,且可以在不同温区同时提供制冷量,比如总功耗698W,可以同时提供20.7mW@4.2K、200mW@31K、6W@80K的制冷量。相较于“多级预冷+节流”方案,本项目运动部件压缩机数量从4-5个减少至2个(预冷型气耦合二级结构)和1个(纯气耦合二级结构),对于支撑我国正在推动立项的“宇宙热重子探寻计划”、“觅音计划”等空间探测项目具有重要现实意义。另外,样机研制过程中揭示的脉冲管制冷机交变流动涉及的功热转换机制、气耦合特性和相位调节机理等基础机制,也具有重要的学术价值。
10K以下温区使用多孔材料吸附氦气式回热器的机理研究
  • 批准号:
    51706233
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    陈六彪
  • 依托单位:
国内基金
海外基金