ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
539.1:534.2:536.2
Гелиевый криостат для исследования с войств массивных твердотельных резонаторов при глубоком охлаждении
В. А. КРЫСАНОВ, А. М. МОТЫЛЕВ, С. И. ОРЕШКИН, В. Н. РУДЕНКО
Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова Москва, Россия, e-mail: sioresh@yahoo.com
Модернизирован и испытан гелиевый криостат для исследования свойств массивных (порядка десятка килограмм) твердотельных акустических и оптических резонаторов при охлаждении до гелиевых температур. Пройден полный цикл охлаждения от комнатной до азотной и гелиевой температур. Прослежена динамика акустических характеристик модели гравитационного детектора на различных этапах охлаждения, изучены рабочие параметры нового криостата (теплопритоки и расход хладагентов). Выполнен монтаж оптических вводов для криогенных исследований моделей с криогенными зеркалами.
Ключевые слова: акустический и оптический резонаторы, криостат, пробное тело, гравитационный детектор, низкотемпературные измерения, акустические колебания.
A new helium cryostat for studies of properties of massive (in order of dozens of kilogram) solid acoustical and optical resonators is modernized and tested. The full cycle of cooling from the room temperature to nitrogen and helium temperature has been held. The dynamics of acoustical characteristics of the gravitational wave detector model was studied at different stages of cooling. The operational parameters of new cryostat were measured, and the mounting of optical inputs was completed for the study of models with testing body (cryogenic mirrors).
Key words: acoustic and optical resonators, cryostat, testing body, gravitation wave detector, low temperature measurements, acoustics oscillations.
Перспектива увеличения чувствительности гравитационных детекторов третьего поколения (телескоп Эйнштейна [1,2]) связана с идеей подавления тепловых шумов в результате глубокого охлаждения (до гелиевых температур около 4 К) зеркал больших гравитационных интерферометров [3]. При этом зеркала массой в десятки килограмм должны находиться под действием мощной оптической накачки (порядка 10 Вт и более) при эффективной сейсмической и акустической изоляции. Последнее требуется для сохранения высокой добротности собственных механических мод. Перечисленные факторы делают нетривиальными задачи охлаждения зеркал до гелиевых температур и поддержания данного состояния в режиме длительных измерений. Обнаружено, что при охлаждении кварцевых подвесных зеркал обменным газом в течение месяца в присутствии накачки около 20 мВт достигается температура около 12—14 К [4].
Аналогичная задача сформулирована для резонансных твердотельных гравитационных детекторов с оптической системой регистрации [5]. В этом случае возможно частичное улучшение теплового контакта детектора с зеркалом, однако оно не может быть полным ввиду требования сохранения высокой добротности акустических мод детектора. Кроме проблемы теплового контакта с сохранением механической добротности, актуален вопрос оптической стойкости многослойных отражающих покрытий зеркал при предельно малом коэффициенте поглощения падающего излучения. Перечисленный комплекс проблем под общим термином «интерферометры с криогенными зеркалами» входит в программу экспериментальных исследований по разработке гравитационных детекторов третьего поколения [6].
В данной статье представлен криостат, предназначенный для экспериментов с зеркалами и пробными телами до
10 кг и более, обеспечивающий их охлаждение до температуры Т ~ 4 К за конечное время при экономном расходе хладагентов. Разработка такого криостата стимулирована участием российских научных групп в программе [6]. В то же время она является необходимым этапом исследования возможности реализации криогенной версии оригинального оптоакустического детектора гравитационных и инерциаль-ных возмущений (ОГРАН) [7, 8]. Практическим шагом к достижению этой цели стала модернизация имеющейся технологической базы, созданной для тестовых экспериментов с моделями гравитационной антенны ОГРАН [8]. Как показано в [5], охлаждение такой антенны до гелиевых температур расширяет радиус ее эффективного приема до 15 Мпк (4,5 ■ 1020 км).
С более общей точки зрения относительно простой гелиевый криостат с рабочей камерой объемом около 0,15 м3 и образцами массой порядка десятков килограмм явился бы весьма полезным инструментом для отечественных физических лабораторий. С его помощью возможно выполнение целого ряда фундаментальных прецизионных исследований по проверке основ релятивистских теорий гравитации. Известные западные аналоги криостатов для тяжелых криогенных гравитационных детекторов (масса примерно 2 т) на основе сложной техники рефрижераторов растворения 3Не в 4Не имеют большой расход хладагентов — чрезвычайно дорогостоящие установки, использование которых для тестовых экспериментов нерационально [9]. Представленный в статье криостат существенно меньшей стоимости и высокой экономичности расхода хладагентов призван заполнить образовавшуюся нишу в отечественном парке криогенных инструментов.
азотная камера; 6 ■
Устройство и работа крио-стата. Криостат (рис. 1) представляет собой четыре цилиндрических горизонтально расположенных вставленных одна в другую оболочки с торцевыми крышками. Каждая оболочка (камера) подвешена внутри следующей на четырех длинных металлических нитях (на рисунке не показаны), благодаря чему достигается очень малый теплоприток по опорам вследствие низкой теплопроводности нержавеющей стали и малого поперечного сечения проволоки подвески. Внутренняя оболочка 2 является камерой охлаждения (КО), в которую помещается исследуемый объект. Она имеет форму цилиндра длиной 1,1 м, внутренним диаметром 0,35 м и толщиной стенки 2,5 мм. Для возможно большей изотер-мичности стенок камера охлаждения изготовлена из меди высокой чистоты марки М0о (99,97 % Си) [12]. Один из торцов камеры (плоский) приварен, на втором установлен фланец, к которому на 24 шпильках крепится массивная медная крышка 2. Герметичность уплотнения фланцевого соединения достигается применением индиевой проволоки диаметром 1 мм, вкладываемой в канавку фланца. К внешней стороне медного цилиндра припаяна медная трубка 3 диаметром 8 мм с толщиной стенки 1 мм. Эта и-образная трубка проходит по всей длине и опоясывает его кругом в области переднего и заднего торцов. Она предназначена для пролива через нее хладагента в процессе охлаждения камеры. и-образная трубка припаяна к стенке камеры серебряным припоем для увеличения площади соприкосновения и обеспечения хорошего теплового контакта.
Следующие две оболочки — гелиевая 4 и азотная 5 — отличаются по размерам при схожей конструкции и состоят из двух несоосно вставленных друг в друга цилиндров. Ось внутреннего цилиндра сдвинута вниз относительно оси внешнего, поэтому ширина кольцевого межстенного пространства камеры в верхней части больше, чем в нижней. Эксцентричность межстенного пространства позволяет замедлить снижение уровня залитого в них хладагента в процессе испарения и, следовательно, более длительно сохранять изотер-мичность поверхности стенок камер. Стенки азотной и гелиевой камер изготовлены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т с низкой теплопроводностью. Обе камеры с торцов закрыты кольцевыми эксцентрическими крышками из меди для создания замкнутых объемов, ограниченных изотермическими поверхностями. В нижней части торцевой медной крышки азотной камеры (АК) установлен электрический нагреватель, состоящий из 12 высоковаттных резисторов в керамических корпусах. Резисторы плотно прижаты пластиной из нержавеющей стали, выполняющей также роль теплового экрана, к медной крышке. Мощность нагревателя порядка 100 Вт. Он предназначен для быстрого прогрева
Рис. 1. Общий вид криостата в разрезе: фланец камеры охлаждения; 2 — камера охлаждения; 3 — и-образная трубка; 4
гелиевая камера;
кожух криостата; 7 — крышка кожуха; 8 — фланец вставки криостата; 9 — многослойная экранно-вакуумная изоляция
внутренних камер криостата на этапе дегазации, а также отогрева после охлаждения. На медной крышке установлен сетчатый контейнер с адсорбентом (активированным углем), служащим дополнением к системе откачки на этапе охлаждения.
Кожух криостата 6 (см. рис. 1) состоит из цилиндрической гофрированной обечайки, фланцев и герметично присоединенных к ним шестнадцатью болтами плоских крышек на витоновых уплотнениях. Одна из крышек 7 имеет отверстие диаметром 210 мм с уплотнительными элементами для крепления внутреннего фланца 8 вставки криостата. Противоположная крышка кожуха криостата имеет два штуцера для присоединения двух герметичных электрических разъемов типа 2РМГ на 19 контактов каждый. Снаружи в нижней части обечайки приварен фланцевый патрубок, соединяющий криостат с линией вакуумирования. Внешняя поверхность кожуха криостата обмотана ленточным электронагревателем и теплоизолирована снаружи стеклотканью и алюминиевой фольгой, что позволяет равномерно нагревать обечайку при дегазации всей системы в целом в процессе вакуумирования.
Вставка криостата является наиболее важным элементом конструкции, объединяющим в себе все коммуникации, которые можно условно разделить на четыре группы (рис. 2). Первая группа коммуникаций А проходит сквозь стакан 6, закрытый крышкой-штуцером 5 и состоит из линии залива 9 жидкого азота в азотную камеру (АК) и линии выхода паров азота 7. Вторая группа коммуникаций В проходит сквозь стакан 4, и состоит из линии заливки жидкого гелия 8 в гелиевую камеру (ГК) и линии откачки паров жидкого гелия 3. Третья группа коммуникаций С проходит через стаканы 1, 2 и представляет собой вход и выход и-образной трубки 11, опоясывающей камеру охлаждения (КО). Четвертая группа коммуникаций D объединяет в одну линию две: напуска теплооб-менного газа в камеру охлаждения и ее вакуумирования. Для сейсмической развязки внутренних камер от кожуха
ко
Рис. 2. Разрез криостата в области вставки: камера охлаждения; ГК — гелиевая камера; АК — азотная камера;
гр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.