Холодильник разбавления

Фазовая диаграмма жидких ³ Не- ⁴ He смесей , показывающих разделение фаз.

Принципиальная схема холодильника с влажным разбавлением ³ He / ⁴ He без внешнего вакуумного экрана. (векторная графика)

Принципиальная схема холодильника стандартного или влажного разбавления.

Принципиальная схема низкотемпературной части холодильника разбавления.

Внутри влажного холодильника для разбавления гелия Oxford Instruments со снятыми вакуумными баллончиками.

Система газового контроля для холодильника с разбавлением гелия.

Принципиальная схема безкриогенного или сухого холодильника с разбавлением, предварительно охлажденного двухступенчатым холодильником с импульсной трубкой , обозначена пунктирным прямоугольником.

³ Он / ⁴ Он рефрижератор растворения является криогенной устройство , которое обеспечивает непрерывное охлаждение до низких температур вплоть до 2 мК , без каких - либо подвижных деталей в области низких температур. ^[1] Мощность охлаждения обеспечивается теплоты смешения из гелия-3 и гелия-4 изотопов.

Холодильник разбавления был впервые предложен Хайнцем Лондоном в начале 1950-х годов и был экспериментально реализован в 1964 году в лаборатории Камерлинг-Оннес при Лейденском университете . ^[2]

Теория работы [ править ]

Процесс холодильный использует смесь двух изотопов из гелия : гелий-3 и гелия-4 . При охлаждении ниже примерно 870 милликельвинов смесь подвергается самопроизвольному разделению фаз с образованием фазы, богатой ³ He (концентрированная фаза) и фазы, бедной ³ He (разбавленная фаза). Как показано на диаграмме состояния, при очень низких температурах концентрированная фаза представляет собой по существу чистый ³ He, тогда как разбавленная фаза содержит около 6,6% ³ He и 93,4% ⁴ He. В качестве рабочего тела используется ³ He, который циркулирует вакуумными насосами при комнатной температуре.

³ Он входит в криостат при давлении в несколько сотен миллибар . В классических разведениях холодильника (известный как мокрое разбавление холодильник ), то ³ Он предварительно охлажденный и очищает с помощью жидкого азота при 77 К и ⁴ He ванн при 4,2 К. Далее, ³ Он входит в вакуумной камеру , где она дополнительно охлаждается до температуры 1,2–1,5 К с помощью ванны на 1 К, ванны с ⁴ He с вакуумной откачкой (поскольку снижение давления в резервуаре с гелием понижает его температуру кипения). Ванна 1 K сжижает газ ³ He и отводит тепло конденсации . В³ Затем он входит в главный импеданс, капилляр с большим сопротивлением потоку. Охлаждается перегонным кубом (описанным ниже) до температуры 500–700 мК. Затем ³ He протекает через вторичный импеданс и одну сторону набора противоточных теплообменников, где он охлаждается холодным потоком ³ He. Наконец, чистый ³ He попадает в смесительную камеру, самую холодную зону устройства.

В смесительной камере, две фазы ³ Не- ⁴ He смеси, концентрированной фазы (практически 100% ³ He) и разбавленной фазы (около 6,6% ³ He и 93,4% ⁴ He), находятся в равновесии , и отделены друг от друга фазовая граница. Внутри камеры ³ He разбавляется по мере того, как он течет из концентрированной фазы через границу раздела фаз в разбавленную фазу. Тепло, необходимое для разбавления, является полезной охлаждающей способностью холодильника, поскольку процесс перемещения ³ He через границу раздела фаз является эндотермическим и отводит тепло из окружающей среды камеры смешения. ³Затем он покидает смесительную камеру в разбавленной фазе. На стороне разбавления и в неподвижном состоянии ³ He протекает через сверхтекучий ⁴ He, который находится в состоянии покоя. ³ Он приводится в движение через канал разбавленного градиентом давления так же , как и любую другую вязкую жидкость. ^[3] По пути вверх, холодный разбавленный ³ He охлаждает стекающий вниз концентрированный ³ He через теплообменники и поступает в куб. Насосы поддерживают низкое давление в аппарате (около 10 Па) при комнатной температуре. Пар в аппарате представляет собой практически чистый ³ He, парциальное давление которого намного выше, чем у ⁴Он на 500–700 мК. Тепло подается в аппарат для поддержания постоянного потока ³ He. Насосы сжимают ³ He до давления в несколько сотен миллибар и подают его обратно в криостат, завершая цикл.

Холодильники для безкриогенного разбавления [ править ]

Современные холодильники с разбавлением могут предварительно охлаждать ³ He с помощью криохладителя вместо жидкого азота, жидкого гелия и ванны на 1 К. ^[4] В этих «сухих криостатах» не требуется внешней подачи криогенных жидкостей, и работа может быть в значительной степени автоматизирована. Однако сухие криостаты требуют высоких энергозатрат и подвержены механическим колебаниям, например, возникающим в холодильниках с импульсной трубкой . Первые экспериментальные машины были построены в 1990-х годах, когда стали доступны (коммерческие) криохладители , способные достигать температуры ниже, чем у жидкого гелия, и иметь достаточную охлаждающую способность (порядка 1 Вт при 4,2 К). ^[5] Охладители с импульсной трубкой обычно используются в холодильниках с сухим разбавлением.

Холодильники с сухим разбавлением обычно имеют одну из двух конструкций. Одна конструкция включает внутренний вакуумный бак, который используется для первоначального предварительного охлаждения машины от комнатной температуры до базовой температуры охладителя с импульсной трубкой (с использованием теплообменного газа). Однако каждый раз, когда холодильник охлаждается, необходимо создать вакуумное уплотнение, которое выдерживает криогенные температуры, и использовать низкотемпературные вакуумные вводы для экспериментальной проводки. Другой вариант более сложен для реализации, требуя термовыключателей, которые необходимы для предварительного охлаждения, но при этом не требуется внутренний вакуумный баллон, что значительно снижает сложность экспериментальной проводки.

Мощность охлаждения [ править ]

Мощность охлаждения (в ваттах) в смесительной камере приблизительно определяется выражением

{\dot {Q}}_{m}\;[{\text{W}}]=\left({\dot {n}}_{3}\;[{\text{mol/s}}]\right)\left(95(T_{m}\;[{\text{K}}])^{2}-11(T_{i}\;[{\text{K}}])^{2}\right)

где - молярная скорость циркуляции ³ He, T _m - температура камеры смешения, а T _i - температура ³ He, входящего в камеру смешения. ^[6] Полезное охлаждение будет только тогда, когда ${\dot {n}}_{3}$

T_{i}<2.8T_{m}.

Это устанавливает максимальную температуру последнего теплообменника, так как выше этого вся охлаждающая мощность расходуется только на охлаждение падающего ³ He.

Внутри смесительной камеры имеется незначительное тепловое сопротивление между чистой и разбавленной фазами, а мощность охлаждения снижается до $T_{i}\approx T_{m}.$

{\dot {Q}}_{m}\;[{\text{W}}]=84\left({\dot {n}}_{3}\;[{\text{mol/s}}]\right)(T\;[{\text{K}}])^{2}.

Низкий T _m может быть достигнут, только если T _i низкий. В холодильниках с разбавлением T _i уменьшается за счет использования теплообменников, как показано на схематической диаграмме низкотемпературной области выше. Однако при очень низких температурах это становится все труднее и труднее из-за так называемого сопротивления Капице . Это тепловое сопротивление на поверхности между жидким гелием и твердым телом теплообменника. Она обратно пропорциональна T ⁴ и площади теплообменной поверхности A. Другими словами: чтобы получить такую же термостойкость, необходимо увеличить поверхность в 10 000 раз, если температура снизится в 10 раз. Чтобы получить низкое термическое сопротивление при низких температурах (ниже примерно 30 мК), большая поверхность площадь нужна. Чем ниже температура, тем больше площадь. На практике используется очень тонкий серебряный порошок.

Ограничения [ править ]

Принципиального ограничения низкой температуры холодильников разбавления не существует. Тем не менее, по практическим соображениям диапазон температур ограничен примерно 2 мК. При очень низких температурах вязкость и теплопроводность циркулирующей жидкости становятся больше, если температура понижается. Для уменьшения вязкого нагрева диаметры входных и выходных патрубков камеры смешения должны иметь вид T⁻³
_ми для получения низкого теплового потока длины трубок должны быть равны T⁻⁸
_м. Это означает, что для снижения температуры в 2 раза необходимо увеличить диаметр в 8 раз, а длину в 256 раз. Следовательно, объем должен быть увеличен в 2 раза ¹⁴ = 16 384 раза . Другими словами: каждый см ³ при 2 мкК превратился бы в 16 384 см ³ при 1 мкК. Машины станут очень большими и очень дорогими. Для охлаждения ниже 2 мК есть мощная альтернатива: ядерное размагничивание .

См. Также [ править ]

Адиабатическое размагничивание
Магнитное охлаждение
Гелий-3 холодильник
Рефрижераторный транспорт Dewar
Хронология низкотемпературных технологий

Ссылки [ править ]

^ Lounasmaa, О. В. (1974). Экспериментальные Принципы и методы ниже 1 К . Лондон: Academic Press. п. 316. ISBN. 978-0124559509.
^ Das, P .; Уботер, РБ; Таконис, К.В. (1965). "Реализация холодильника типа Лондон-Кларк-Мендоза". Физика низких температур LT9 . п. 1253. DOI : 10.1007 / 978-1-4899-6443-4_133 . ISBN 978-1-4899-6217-1.
^ de Waele, A.Th.AM; Куэртен, JGM (1991). «Термодинамика и гидродинамика ³ Не- ⁴ He смеси». В Брюэр, Д. Ф. (ред.). Успехи в физике низких температур, Том 13 . Эльзевир. С. 167–218. ISBN 9780080873084.
^ Waele, ATAM (2011). «Основы работы криокулеров и связанных с ними тепловых машин» . Журнал физики низких температур . 164 (5–6): 179–236. Bibcode : 2011JLTP..164..179D . DOI : 10.1007 / s10909-011-0373-х .
^ Uhlig, K .; Хен, В. (1997). « Холодильник для разбавления ³ He / ⁴ He, предварительно охлажденный холодильником Gifford-McMahon». Криогеника . 37 (5): 279. Bibcode : 1997Cryo ... 37..279U . DOI : 10.1016 / S0011-2275 (97) 00026-X .
^ Побелл, Франк (2007). Материал и методы при низких температурах . Берлин: Springer-Verlag. п. 461. ISBN. 978-3540463603.

Его Превосходительство Холл, П. Дж. Форд и К. Томсон (1966). «Холодильник растворения гелия-3». Криогеника . 6 (2): 80–88. Bibcode : 1966Cryo .... 6 ... 80H . DOI : 10.1016 / 0011-2275 (66) 90034-8 .CS1 maint: uses authors parameter (link)
Дж. К. Уитли, О. Э. Вилчес и В. Р. Абель (1968). «Принципы и методы разбавленного охлаждения». Журнал физики низких температур . 4 : 1–64. DOI : 10.1007 / BF00628435 .CS1 maint: uses authors parameter (link)
Т.О. Нииникоски (1971). «Горизонтальный холодильник с очень высокой охлаждающей способностью». Ядерные инструменты и методы . 97 (1): 95–101. Bibcode : 1971NucIM..97 ... 95N . DOI : 10.1016 / 0029-554X (71) 90518-0 .CS1 maint: uses authors parameter (link)
GJ Frossati (1992). «Методика эксперимента: методы охлаждения ниже 300 мК». Журнал физики низких температур . 87 (3–4): 595–633. Bibcode : 1992JLTP ... 87..595F . CiteSeerX 10.1.1.632.2758 . DOI : 10.1007 / bf00114918 .CS1 maint: uses authors parameter (link)

Внешние ссылки [ править ]

Разбавление 3He-4He Объяснение
Университет Ланкастера, Физика сверхнизких температур - Описание охлаждения с разбавлением.
Гарвардский университет, лаборатория Маркуса - Автостопом по холодильнику для разбавления.

[1] Lounasmaa, О. В. (1974). Экспериментальные Принципы и методы ниже 1 К . Лондон: Academic Press. п. 316. ISBN. 978-0124559509.

[2] Das, P .; Уботер, РБ; Таконис, К.В. (1965). "Реализация холодильника типа Лондон-Кларк-Мендоза". Физика низких температур LT9 . п. 1253. DOI : 10.1007 / 978-1-4899-6443-4_133 . ISBN 978-1-4899-6217-1.

[3] Waele, A.Th.AM; Куэртен, JGM (1991). «Термодинамика и гидродинамика ³ Не- ⁴ He смеси». В Брюэр, Д. Ф. (ред.). Успехи в физике низких температур, Том 13 . Эльзевир. С. 167–218. ISBN 9780080873084.

[4] Waele, ATAM (2011). «Основы работы криокулеров и связанных с ними тепловых машин» . Журнал физики низких температур . 164 (5–6): 179–236. Bibcode : 2011JLTP..164..179D . DOI : 10.1007 / s10909-011-0373-х .

[5] Uhlig, K .; Хен, В. (1997). « Холодильник для разбавления ³ He / ⁴ He, предварительно охлажденный холодильником Gifford-McMahon». Криогеника . 37 (5): 279. Bibcode : 1997Cryo ... 37..279U . DOI : 10.1016 / S0011-2275 (97) 00026-X .

[pobell-6] Побелл, Франк (2007). Материал и методы при низких температурах . Берлин: Springer-Verlag. п. 461. ISBN. 978-3540463603.

[1]