一种被动式真空控温系统的制作方法

1.本实用新型涉及真空条件下温度控制技术领域，具体为一种被动式真空控温系统。


背景技术：

2.真空条件下的温度控制是很多应用的关键技术，比如实现窄线宽激光器，实现弱力信号精密测量，相对重力仪质量敏感等，传统的温控方法主要利用基于测量-反馈的主动方法，比如pid温控，这种方法的好处是可以利用软件算法对温度进行快速控制，但是主动温控的精度依赖于温度测量，而现有的温度计精度受限于电子学测量，精度一般只能达到1mk左右，虽然有新的技术如量子温度测量，基于自旋的温度测量等手段，但是这些手段成本很高，大规模使用尚不成熟。
3.同时，基于pid的控制需要温敏电阻，高精度电压测量，以及反馈电路三个部分，这种技术的主要缺陷是在主动控制，需要消耗外界功率，且温敏电阻作为温度测量单元，本身具有很大的噪声，无法显示小于1mk的测量精度，同时也受到环境的磁场、压强等因素的影响。而基于其他新原理的温控控制本质是用更精确的温度计，如量子温度计，自旋温度计等，但是这些方法成本非常高，不适用于工业大规模应用。
4.因此，基于上述技术问题，急需发明一种简单的且具有超高精度的温控系统，从而达到在原理上实现优于1uk的超高精度，实现低成本制造，适用于长时间，高稳定的温度控制应用场景，以及作为高精度相对重力仪核心部件的温控。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本实用新型目的是提供一种被动式真空控温系统，以解决上述背景技术中提出的问题，本实用新型通过采用被动温控，即，多个热屏蔽层结合温控台组件的方式，以及将此真空控温系统由单级扩展到多级，进一步提升温控精度的方式，解决了现有技术中的问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：一种被动式真空控温系统，包括，
7.真空腔体，所述真空腔体内具有真空腔；
8.温控台组件，所述温控台组件固设在真空腔内，且温控台组件表面设有热屏蔽层，用于在热屏蔽层与真空腔之间形成的真空环境内阻断气体热交换；
9.所述热屏蔽层一端部通过第一地热传导结构与真空腔体连接，用于对温控台组件进行固定支撑；
10.所述温控台组件内部设有温控模块，温控模块通过第二地热传导结构与热屏蔽层固定连接，用于放置待测温控目标。
11.作为对本实用新型中所述一种被动式真空控温系统的改进，所述热屏蔽层采用导热金属材料制备而成。
12.作为对本实用新型中所述一种被动式真空控温系统的改进，所述第一地热传导结构和第二地热传导结构均采用地导热率材料制备而成，且第一地热传导结构与真空腔体的连接处、第二地热传导结构与热屏蔽层的连接处均固定设有绝缘垫，绝缘垫采用高强度低导热率材料制作而成。
13.作为对本实用新型中所述一种被动式真空控温系统的改进，所述真空腔内至少固设一个温控台组件，且当真空腔内固设有第一个温控台组件时，剩余温控台组件以第一个温控台组件的几何中心为圆心，并在第一个温控台组件内呈同心圆分布设置。
14.在本实用新型提出的被动式真空控温系统的可能实现方式中，热屏蔽层与真空腔之间形成的真空环境的真空度设定在10-5
mbar。
15.作为对本实用新型中所述一种被动式真空控温系统的改进，所述第一地热传导结构和第二地热传导结构均呈倒锥形结构，用于降低热导率。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
17.1、本实用新型通过采用被动温控，即，多个热屏蔽层结合温控模块的方式，以及将此真空控温系统由单级扩展到多级，进一步提升温控精度的方式，实现远远小于1mk 的温度稳定性，预期指标能够达到1uk水平，解决现有的基于pid的方法无法达到这一指标的问题；
18.2、与此同时，为解决现有手段中大部分pid控温在室温条件下采用的铂电阻，虽然铂电阻经过校准可以达到很好的精度，但是包括温控线缆在内的所有电子学元件都会带来测量噪声，再加上用于电阻测量的电压测量如果要达到mk的精度，需要较为昂贵的电压测量设备，此外反馈控制需要的电子学元件存在出错和不稳定等问题，以pid为代表的主动温控主要适用于需要快速改变和调节，以及不适用于精度不是很高的应用场景的问题，本实用新型利用热传导的延迟效应，通过真空腔、热屏蔽层、以及温控台组件的层层结合方式，适用于对需要长期稳定的温度进行测量的应用场景。
附图说明
19.参照附图来说明本实用新型的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制，在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：
20.图1为本实用新型一实施例中所提出被动式真空控温系统中存在一个温控台组件时的结构示意图。
21.1-真空腔体、2-真空腔、3-热屏蔽层、4-温控台组件、5-第一地热传导结构、6
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第二地热传导结构、7-绝缘垫、8-温控模块、9-待测温控目标区。
具体实施方式
22.容易理解，根据本实用新型的技术方案，在不变更本实用新型实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本实用新型的技术方案的示例性说明，而不应当视为本实用新型的全部或者视为对本实用新型技术方案的限定或限制。
23.如图1所示，作为本实用新型的一个实施例，本实用新型提供技术方案：一种被动
式真空控温系统，包括，
24.真空腔体1，真空腔体1内具有真空腔2，在具体实施时，利用外部与真空腔体1 连接的真空泵对其进行抽真空处理，真空度维持在10-5
mbar区间；
25.温控台组件4，温控台组件4固设在真空腔2内，且温控台组件4表面设有热屏蔽层3，需要说明的是，热屏蔽层3采用导热金属材料制备而成，并具备一定的质量，优选为黄铜，在热屏蔽层3与真空腔2之间形成的真空环境内阻断气体热交换；
26.热屏蔽层3一端部通过第一地热传导结构5与真空腔体1连接，用于对温控台组件 4进行固定支撑；温控台组件4内部设有温控模块8，温控模块8通过第二地热传导结构6与热屏蔽层3固定连接，用于放置待测温控目标，需要说明的是，第一地热传导结构5和第二地热传导结构6均采用地导热率材料制备而成，优选为，peek(聚醚醚酮) 或者陶瓷，且第一地热传导结构5与真空腔体1的连接处、第二地热传导结构6与热屏蔽层3的连接处均固定设有绝缘垫7，绝缘垫7采用高强度低导热率材料制作而成。
27.在本实用新型的一实施例中，第一地热传导结构5和第二地热传导结构6均呈倒锥形结构，用于降低热导率，锥形结构的使用进一步降低了热传导，这样当外部真空腔2 温度发生改变的时候，由于超低的热传导，热屏蔽层3的温度可以长时间保持稳定，这就实现了第一次被动温控。
28.因此，可以理解的是，在上述过程中不需要进行任何的温度测量和热量反馈控制，在这种情况下，外界温度发生1k的变化，热屏蔽层3的温度变化能够小于1mk，核心的温控模块8位于热屏蔽层3(温控台组件4)内部，利用同样的绝热加锥形结构与第二个热屏蔽层3实现弱的热接触，这样热屏蔽的温度涨落就能够进一步降低到远远小于 1mk，最后在基于形成的多级真空控温系统，如激光器的光学谐振腔或者重力仪的加速度敏感模块均可放置于温控模块8上的待测温控目标区9，从而实现对目标的超高精度被动温控。
29.可以理解的是，为解决现有手段中大部分pid控温在室温条件下采用的铂电阻，虽然铂电阻经过校准可以达到很好的精度，但是包括温控线缆在内的所有电子学元件都会带来测量噪声，再加上用于电阻测量的电压测量如果要达到mk的精度，需要较为昂贵的电压测量设备，此外反馈控制需要的电子学元件存在出错和不稳定等问题，以pid为代表的主动温控主要适用于需要快速改变和调节，以及不适用于精度不是很高的应用场景的问题，本实用新型利用热传导的延迟效应，(即，温度的波动来源是环境的温度，比如天气的变化)通过真空腔2、热屏蔽层3、以及温控台组件4的层层结合方式，适用于对需要长期稳定的温度进行测量的应用场景。
30.同时，在本实用新型的一实施例中，真空腔2内可至少固设一个温控台组件4，且当真空腔2内固设有第一个温控台组件4时，剩余温控台组件4以第一个温控台组件4 的几何中心为圆心，并在第一个温控台组件4内呈同心圆分布设置，此时，热屏蔽层3 是一级温控，温空台组件内部是二级，可以理解为二级被动隔振，不同级之间通过超低导热率的方法进行机械连接，也因此本实用新型不限于二级被动温控，根据需要可以进行级数扩展到多级隔振，如热屏蔽层31+热屏蔽层32+热屏蔽层3n，再到温控台组件4，随着温控技术的增多其温度精度控制越高。
31.基于此，本实用新型通过采用被动温控，即，多个热屏蔽层3结合温控台组件4的方式，以及将此真空控温系统由单级扩展到多级，进一步提升温控精度的方式，实现远远小于
1mk的温度稳定性，预期指标能够达到1uk水平，解决现有的基于pid的方法无法达到这一指标的问题。
32.需要说明的是，由于被动温控的特点是控制速度与温控精度成反比关系，因此要达到更高的精度就需要更低的带宽，所以本实用新型适合需要长期稳定的温度应用场景，而不是合适需要快速改变的温度应用场景。
33.作为本实用新型的第二实施例，在作为构成被动式真空控温系统的热屏蔽层3结构、位置以及制备材料不变的条件下，可将温控台组件4内的温控模块8的安装方式由原来的通过第二地热传导结构6与热屏蔽层3固定连接，改为通过基于热屏蔽层3将不同级的温控模块8进行悬挂连接的方式，达到本实用新型所解决的相同技术问题。
34.本实用新型的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本实用新型技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本实用新型的保护范围内。