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[size=14px][color=#ff0000]摘要:超低重力仪器中要求液氦池温度恒定,为实现小于0.1mK的波动度,气压控制的波动度要小于10Pa。为此本文提出了相应技术方案,核心内容是实现缓冲罐的气压精密控制,采用了双向控制模式,并使用了万分之一精度的气压传感器、电动针阀和PID控制器。[/color][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][color=#ff0000]一、问题的提出[/color][size=14px]超导重力仪器有超导重力仪和超导重力梯度仪,都是用来对重力信号进行精密测量的仪器。超导重力仪器需要在低温条件对极微弱信号进行测量,所以对低温温度恒定有很高的要求,即要求液氦池温度波动在0.1mK以内。[/size]对于液氦池温度的精密控制可以通过控制液氦池内的气压来实现,这就要求气压的测量和控制达到极高水平。本文将针对超导重力仪器中液氦池内气压的高精密控制问题,提出相应的解决方案。此方案的优势是液氦池温度的控制精度主要受压力传感器精度的影响,选择超高精度的压力传感器,并通过精密数控针阀和高精度PID控制器,采用下游抽气流量控制模式,可使液氦温度的波动稳定控制在0.1mK以内。[size=14px][color=#ff0000]二、技术方案[/color][/size]液氦温度的精密控制原理是基于液氦饱和蒸气压与对应温度的关系。根据液氦饱和蒸气压与温度的对应关系,液氦温度要控制在4K左右,并要求温度波动小于0.1mK,则要求液氦上部气压控制在100kPa左右时,气压的波动要小于10Pa以内。[size=14px]为了实现上述气压控制精度,本文提出的技术方案具体包括以下几方面的内容:[/size][size=14px](1)液氦池上部的气压控制可以抽象为一个密闭容器内的压力控制。对于密闭容器的压力控制需要增加一个缓冲罐,通过缓冲罐的压力控制实现液氦池的压力控制,结构如图1所示。[/size][align=center][size=14px][img=气压控制,550,490]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/05/202205230927573218_8908_3384_3.png!w690x615.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=14px]图1 高精度气压控制系统结构示意图[/size][/align][size=14px][/size][size=14px](2)缓冲罐的压力控制采用了上下游双向控制模式,通过调节进气和抽气流量进行控制。[/size](3)整个控制系统包括缓冲罐、气压传感器、PID控制器、数字针阀和真空泵。[size=14px](4)如果气压控制在100kPa并要求波动小于10Pa,则要求气压的测量和控制要有10/100k=0.0001(万分之一)的精度,由此需要配备万分之一精度的气压计和PID控制器。[/size]总之,本文所述的技术方案,其控制精度主要受气压传感器和PID控制器精度的限制,结合步进电机驱动的小流量电动针阀,通过高精度传感器和控制器,可以实现超导重力仪液氦温度的精密控制,温度波动可以控制在0.1mK以内,且不受外部环境温度变化影响。[size=14px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size]
日前,中国计量科学研究院(简称“中国计量院”)依托国家计量基标准资源共享服务平台开展的“重力比对专题服务”项目在黑龙江省漠河市顺利通过验收。该项目由中国计量院和黑龙江省计量检定测试院共同承担,经勘查选址、基础建设、观测试验等工作,在漠河市北极村建立了一个绝对重力参考点。该绝对重力参考点既是我国最北方的点位,也是由中国计量院从其“全球绝对重力仪关键比对点”引出的第一个点位,具有特殊意义。 黑龙江省质监局副局长郭杰,中国计量院副院长宋淑英,漠河市副市长常彬,黑龙江省计量检定测试院院长曹曙光等参加了项目验收会。湖北省地震局重力实验室主任申重阳研究员、中国计量大学教授陈乐、中国特种设备检测研究院研究员陶雪荣、中国设备监理协会常务理事王越薇等专家听取了中国计量院振动重力实验室主任吴书清副研究员对项目的详尽报告,经实地考察和质询讨论,一致同意项目通过验收。 重力加速度量值是与地理位置密切相关的物理量,黑龙江省漠河市纬度最高,相对于国内其他地区,具有较大的重力加速度值。该绝对重力参考点的建立不仅有助于提升当地压力、测力、扭矩、衡器等力学仪器及传感器的校准水平,而且充分发挥了该地区地理位置的优势,与国内其他绝对重力参考点形成了天然的大范围变化重力长基线,为各类重力测量仪器标定提供了技术基础。同时,该项目还开展了地震、测绘、地质等行业的重力计量数据共享服务,兼具科学性与实用性。
在极端高压下变成金属态的氢元素极可能是室温超导体2013年08月08日 来源: 科技日报 作者: 罗会仟http://www.stdaily.com/stdaily/pic/attachement/jpg/site2/20130807/051375868865125_change_wtt3837_b.jpg图为超导悬浮滑板http://www.stdaily.com/stdaily/pic/attachement/jpg/site2/20130807/051375868865125_change_wtt3836_b.jpg生活中处处都是超导材料,如铝、钙、锡、铅等,一些非金属材料在高压下也是超导体,如硅、硫、磷等。 科幻电影《阿凡达》不仅仅给我们带来了3D的震撼视觉享受,也为我们构想出了一个奇幻美丽的潘多拉世界。其中最令人难忘的场景莫过于一座座悬浮在云端的哈利路亚山,山上爬满粗壮的藤蔓,还有壁挂飞天的瀑布和神秘的大鸟,神奇的哈利路亚悬浮山还时常在空中发生移动! 究竟是什么神秘的力量能够悬空“托起”这一座座大山呢?电影中解释道,是因为山中蕴藏着一种叫做“Unobtanium”的神奇室温超导矿石,它借助母树附近的强大磁场悬托起了哈利路亚山。为了掠夺这种奇珍异宝,疯狂的人类甚至不惜一切代价欲摧毁那威人的家园。 那么,什么是超导材料?它为何有如此强大的磁悬浮力量?我们现实中的地球是否存在室温超导体呢? 超导的力量 一块超导板甚至可以悬浮起相扑选手 超导,顾名思义就是超级导电的意思。超导材料具有许多独特的电、磁、热等物理特性,其中最典型的就是当降到足够低温度(该温度点称作超导临界温度)的时候,超导材料的电阻会突然变为零,假如在超导环中诱导出电流的话,电流将永久环流而几乎不衰减,而且也不会有任何发热现象。如果将超导体置于磁场环境下,超导感应电流的存在将使超导体内自动形成一个如“金钟罩”、“铁布衫”一样的屏蔽磁场,这有效抵消了外界磁场,导致超导体内磁场为零。这便是超导体的另一种特性——完全抗磁性。 超导体对外磁场的“抗拒”会产生作用力,同时磁场对超导体也存在反作用力,而且越靠近磁体,该作用力增加得越多,因此将超导体置于磁场上方的合适高度就可以达到抗磁力与重力的平衡,从而把超导体悬浮在空中——这就是超导磁悬浮的原理。尽管悬浮现象在生活中比比皆是,但来自完全抗磁性的超导磁悬浮无疑是最强的悬浮力量之一,一块见方大小的超导板甚至可以悬浮起重量级的相扑选手。 超导的条件 临界温度“低得可怜” 超导材料具有如此奇特的物理性质,它们很罕见吗?其实生活中处处都是超导材料,因为元素周期表中的大部分单质金属元素都是超导体,如铝、钙、锡、铅等,一些非金属材料在高压下也是超导体,如硅、硫、磷等。可是生活中却很少用到它们的超导特性,关键问题在于要实现超导,就必须将温度降到超导临界温度之下。遗憾的是,金属单质和合金超导体的临界温度都低得可怜。 例如1911年发现的第一个超导体——金属汞的临界温度在4K(热力学温标,相当于-269℃)左右,可以说它已经接近宇宙中的最低温度——绝对零度0K(-273℃),直到1986年以前,科学家发现的最高临界温度的超导体是Nb3Ge(中文名铌三锗),也仅为23K(-250℃)。要达到如此低的温度,用空调、冰箱来制冷是绝对不行的,它们顶多到-100℃左右,这需要依赖昂贵的液氦来制冷,就算在科研实验中也存在诸多局限,更何况大规模应用到生活中。 一个预言曾让高温超导研究陷入迷茫 超导体的零电阻和抗磁性让人们对其应用充满渴望,因为它将大大节约电力传输和使用过程中的损耗、可以提供持续稳定的强磁场、实现安全快捷的高速磁悬浮运输等等。因此,寻找到更高超导临界温度的超导体,乃至室温(300K或25℃左右)下的超导材料,势必将对人类未来的生活带来翻天覆地的革新。 1957年,物理学家巴丁、库伯和施里弗成功建立理论解释了传统金属单质和合金中的超导现象。他们认为:实现超导的关键在于低温下材料中的电子会“两两牵手配对”并且所有电子对能够和谐一致地运动,从而相互抵消了各自运动过程的能量损耗而实现超级导电的目的。据此理论,人们预言超导临界温度将不可能超越40 K(-233℃),这个预言曾经一度让寻找更高临界温度的超导体之路陷入迷茫。 超导的希望 高温超导家族正在壮大 然而实验物理学家并没有放弃对更高转变温度超导体的探索。功夫不负有心人,1986年,IBM的工程师柏诺兹和穆勒在La-Ba-Cu-O陶瓷材料中发现了35K(-238℃)的超导电性。随后,华人科学家朱经武、吴茂坤以及中国科学家赵忠贤等人发现了具有93K(-180℃)超导的Y-Ba-Cu-O体系。最终,这类铜氧化物超导体最高临界温度提高到了165K(-108℃)附近,从而被称为高温超导体(这里的高温,只是相对常规金属超导体的低超导临界温度而言的)。 高温超导体的临界温度迈入了液氮温区,大大降低的研究和应用成本。然而,高临界温度只是超导应用中的重要指标之一,为大规模应用,超导材料还需要具有良好的可塑性和承载大电流的本领等,为寻找到更多更适合应用的超导材料,科学家加快了超导探索的脚步,陆续发现了许多超导新家族。例如:2001年,日本科学家发现临界温度高达39K的MgB2超导体;2008年,日、中、美、德等多国科学家在铁砷族化合物中发现55K以上的超导电性,这类超导体被称为铁基超导体,是个极其庞大的家族。 氢元素被“寄予厚望” 如今,超导体的种类已经覆盖各种金属、合金、非金属化合物、氧化物,乃至有机物等多种物质形态,似乎暗示“条条大路通超导”。随着诸多新超导体的不断涌现,超导研究领域高潮迭起,人类对超导的不断深入认识也极大地推进了现代基础物理的前沿研究,人们对室温超导体的发现更加充满期待和厚望。 从理论上,已经预言在极端高压下的氢元素将变成金属态,它就极可能是室温超导体。从实验上,人们在各种化学形态物质开展深入探索和研究,已经在寻找更高临界温度超导体积累了丰富的经验。 相信在不久的将来,只要我们不断努力前行,现实中的哈利路亚山——室温超导体也许不再是梦想。到那时,你或许可以用超导磁悬浮技术在云彩之中练瑜伽或在悬空的“白云”沙发上酣睡,那是何等地惬意和美妙!(文·罗会仟) (作者系中科院物理研究所理学博士,中科院物理研究所副研究员,主要从事高温超导体的中子散射研究。本文转自蝌蚪五线谱网站) 《科技日报》(2013-8-8 五版)