低温液体工质瞬变温度测量与汽泡生长过程观测系统

摘要

一种低温液体工质瞬变温度测量与汽泡生长过程观测系统，其包括有：一液池，液池内设置有安放铂电阻的底座；液池的两侧面上，沿直径方向分别各设置一个圆形观察窗；一铂电阻，安置在液池内，是在石英玻璃柱的一个端面上镀一层铂金而成，石英玻璃柱的两侧涂有银浆作为导线引线；一信号转换器，将铂电阻的电阻信号转换为电压信号；一数字示波器，与信号转换器相连接；一计算机，将数字示波器记录的电压变化信号转换为温度信号；一脉冲激光器，产生一激光照射于铂电阻表面；一激光控制台，用于控制和调节激光器的输出参数；一观察与摄影系统，由显微放大照相系统、高压电火花光源组成，其中显微放大照相系统的镜头与高压电火光源分别设置在液池两侧，并与液池两侧的圆形窗相对应。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在低温环境下液体工质瞬变温度测量与汽泡生长过程观察系统。

本发明还涉及一种利用上述装置进行观察的方法。

背景技术

超导体在很多方面已经逐渐进入到实用化阶段，如超导发电、超导输电、磁悬浮列车、核磁共振成像技术、超导集成电路芯片技术等等。在超导体工作中，其所处的低温环境(液氮、液氦)有可能受到瞬时高热流的冲击，使其产生很高的温升速率，从而导致爆发沸腾的发生，甚至影响到超导体的安全、稳定工作。低温爆发沸腾的汽泡生长过程很快，且数量很多，用常规的办法难以观测到该沸腾状态下气泡的生长过程与相应的温度变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种关于低温液体工质(液氮)瞬变温度测量与汽泡生长过程观测系统。

为实现上述目的，本发明提供的系统组成为：

一盛有低温液体的液池，采用内外两层不锈钢管套封而成，内外两层钢管之间为真空状态。为保持内部真空恒定，两夹层之间放置有活性炭吸附剂。两层钢管之间还包裹一层铝箔，从而更有效的防止辐射漏热损失。液池内设置有安放铂电阻的底座。在液池的两侧面上，沿直径方向分别各设置一个圆形窗，以供摄像和电火花光源照明使用。

一铂电阻，安置在液池内，是在石英玻璃柱的一个端面上镀一层铂金而成，石英玻璃柱的两侧涂有银浆作为导线引线。

一信号转换器，将铂电阻的电阻信号转换为电压信号。

一数字示波器，与信号转换器相连接，以记录脉冲激光照射下铂电阻的电压变化信号。

一计算机，将数字示波器记录的电压变化信号转换为温度信号。

一脉冲激光器，产生一激光照射于铂电阻表面。

一激光控制台，用于控制和调节激光器的输出参数。

一观察与摄影系统，由显微放大照相系统、高压电火花光源组成，其中显微放大照相系统的镜头与高压电火光源分别设置在液池两侧，并与液池两侧的圆形窗对应。

一高压电火花控制延时器，用于控制高压火花光源的闪光延迟时间。

利用上述装置进行观察时，在激光器控制台上设置好激光器的输出参数，通过控制台来控制激光器的输出参数，并在高压电火花控制延迟器上设置好闪光延迟时间。由于本发明的激光波长为1.06μm，实验工质液氮对该波长下激光几乎不吸收，激光穿过低温(液氮)工质直接照射到铂薄膜电阻的表面，其中大部分能量被铂薄膜表面的金属电子反射，少部分能量用于加热铂电阻，铂电阻受热升温后对液体工质进行加热，所以铂膜电阻既是测温元件又是液体工质的加热元件，直接测量本身的温度变化，从而消除了测量滞后。常温下铂膜电阻的阻值为一定值，在脉冲激光作用下其阻值随铂膜表面温度的变化而变化，从而使其两端的电压也随之发生变化，通过数字示波器来记录其电压的变化历程，再通过电压与温度的依变关系可以得到铂膜表面(也即与其紧密接触的液体工质)的温度变化。在激光器输出激光的同时发出二路触发信号，一路触发数字示波器记录铂电阻的温度变化信号，另一路触发高压电火花装置并根据预设的延迟时间引发闪光，此时照相机处于T门(室内为暗室)，摄影胶卷因电火花闪光而曝光，从而完成一次对脉冲激光照射下液体工质爆发沸腾的拍摄与温度测量。在实验工况相对稳定的情况下，将一次在脉冲激光加热下超急速沸腾的全过程分成距激光照射起始时间不同时刻(通过改变高压电火花的闪光延迟时间来实现)进行单次拍摄，然后用依次拍摄的系列照片反映超急速沸腾的全过程。

本发明可广泛用于低温(液氮)环境下超急速沸腾的温度测量与汽泡生长动力学过程的观测与拍照。

附图说明

图1为本发明的系统装置示意图。

图2为铂电阻的示意图。

图3为本发明拍摄的液氮爆发沸腾的系列照片。

具体实施方式

本发明采用的系统如图1所示。本实施例的热源为高强度NdYAG可编程脉冲激光器1，其波长为1.06μm，脉冲宽度为1～30μs，光斑直径为1～10mm，一次脉冲的功率密度最高可达1.0×10⁴MW/m²，通过激光控制台2(PC486计算机)控制开关电源来调节激光器的输出参数。铂电阻3(如图2所示)是在石英玻璃柱11的一个端面上用真空镀膜机镀一层厚度约为1μm的铂金12而成，石英玻璃柱的两侧涂有银浆作为导线引线13。测试过程中，铂电阻3浸没于盛有低温液体的液池4内。低温液池4采用内外两层不锈钢管套封而成，内外两层钢管之间采用抽气手段设定为真空状态，真空度大约为0.96atm。并放置活性炭吸附剂以保持内部真空恒定。两层钢管之间还包裹一层铝箔，从而更有效的防止辐射漏热损失。液池内容积约为1升，并设置有安放试件的底座。在液池的侧面上，沿直径方向设置有两个圆形观察窗，其有效可视直径为28cm，完全可以供摄像和电火花光源照明使用。脉冲激光照射下试件表面的电阻变化信号通过信号转换器10转换为电压信号，再用8通道数字示波器5(DL2700)记录，其采集速率为500MS/s，再通过计算机6转换为温度信号。观察与摄影系统由显微放大照相系统7(Nikon SMZ-2T型立体显微镜和135 Nikon相机)、高压电火花光源8组成，高压电火花闪光装置的充电电压为18～20KV，充电时间为50s-60s，放电(曝光)时间小于0.5μs。

测试过程中，先在激光器控制台2上设置好激光器1的输出参数，通过控制台来控制激光器的输出参数，并在高压电火花控制延迟器9上设置好闪光延迟时间，在激光器输出激光的同时发出二路触发信号，一路触发数字示波器5记录铂电阻的温度变化信号，另一路触发高压电火花装置8并根据预设的延迟时间引发0.5μs的闪光，此时照相机处于T门(室内为暗室)，摄影胶卷(ISO1600 Kodak彩色胶卷)因电火花闪光而曝光，从而完成一次对脉冲激光照射下液体工质爆发沸腾的拍摄与温度测量。在实验工况相对稳定的情况下，将一次在脉冲激光加热下超急速沸腾的全过程分成距激光照射起始时间不同时刻(通过改变高压电火花的闪光延迟时间来实现)进行单次拍摄，然后用依次拍摄的系列照片反映超急速沸腾的全过程(激光器开始照射的1～10000μs时间段内)。按照上述方法，用本发明的系统在热流密度600MW/m²，脉宽5μs的脉冲热流作用下，于不同时刻拍摄的液氮爆发沸腾的系列照片如图3所示。