极低温绝热去磁制冷机及其温控系统的数值仿真

【作者】 李珂； 王昌； 戴巍； 沈俊；

【机构】 中国科学院理化技术研究所； 中国科学院大学；

【摘要】 绝热去磁制冷技术是利用固体磁热材料的磁热效应来获取1K以下温度的一种极低温制冷技术,在凝聚态物理、天文观测、先进科学仪器等方面有着重要应用。绝热去磁制冷机主要由磁热模块、超导磁体和热开关三大部件构成,通过特定时序匹配控制,完成制冷循环。由于大多数极低温应用对于温度波动都有着极高的要求,因此,温控系统在绝热去磁制冷中扮演着十分重要的角色,目前主要采用PID控制器实现,通过调节超导磁体的电流变化率来控制冷头温度,其重点是寻找合适的Kp、Ki和Kd三个控制器参数。但是在极低温环境下,固体的热导率很小,导致系统热响应很慢,通过实验方法来确定控制器参数耗时太长。因此,本文采用数值仿真方法对其展开研究。基于COMSOL软件建立了绝热去磁制冷机的仿真模型,作为控制对象;监测模型中冷头温度作为控制器输入信号,超导磁体电流变化率作为控制器输出信号;为了简化模型加速计算,磁热效应采用等效内热源形式,热开关采用等效边界条件。基于该模型本文主要研究了不同控制方法和参数对系统运行和温度的影响。本文所建立的数值仿真模型不仅可为绝热去磁制冷机控制系统设计提供重要依据,同时也可极大缩短系统调试时间。更多还原