Холодильник для разбавления

Фазовая диаграмма жидкости ³ Он- ⁴ Он смешивает, демонстрируя разделение фаз.

Принципиальная схема мокрого ³ Он/ ⁴ Он разбавляющий холодильник без внешнего вакуумного экрана. (векторная графика)

Принципиальная схема стандартного или мокрого холодильника для разбавления.

Принципиальная схема низкотемпературной части холодильника разбавления.

Внутренняя часть влажного холодильника для разбавления гелия Oxford Instruments со снятыми вакуумными баллонами.

Система газового контроля холодильника разбавления гелия.

Схематическая диаграмма безкриогенного или сухого холодильника для разбавления, предварительно охлажденного двухступенчатым холодильником с импульсной трубкой (обозначено пунктирным прямоугольником).

А ³ Он/ ⁴ Холодильник разбавления представляет собой криогенное устройство, обеспечивающее непрерывное охлаждение до температуры до 2 мК , без движущихся частей в области низких температур. Охлаждающая способность обеспечивается за счет теплоты смешения изотопов гелия -3 и гелия-4 .

Холодильник для разбавления был впервые предложен Хайнцем Лондоном в начале 1950-х годов и экспериментально реализован в 1964 году в лаборатории Камерлинг-Оннес Лейденского университета . Обзор области охлаждения с разбавлением сделан Zu et al.

Теория работы

В процессе охлаждения используется смесь двух изотопов гелия : . гелия-3 и гелия- 4 При охлаждении ниже примерно 870 милликельвинов смесь подвергается самопроизвольному разделению фаз с образованием ³ He-богатая фаза (концентрированная фаза) и ³ Фаза с низким содержанием гелия (разбавленная фаза). Как показано на фазовой диаграмме, при очень низких температурах концентрированная фаза практически чистая. ³ Он в то время как разбавленная фаза содержит около 6,6% ³ Он и 93,4% ⁴ Он. Рабочая жидкость – это ³ Он, который циркулирует вакуумными насосами при комнатной температуре.

The ³ Он поступает в криостат при давлении в несколько сотен миллибар . В классическом холодильнике для разбавления (известном как холодильник для влажного разбавления ) ³ Его предварительно охлаждают и очищают при жидким азотом 77 К и ⁴ Он принимает ванну при 4,2 К. Далее ³ Он попадает в вакуумную камеру, где дополнительно охлаждается до температуры 1,2–1,5 К с помощью ванны с температурой 1 К , вакуумной накачки. ⁴ Он ванна (поскольку уменьшение давления в резервуаре с гелием снижает его температуру кипения). Ванна 1 К разжижает ³ Он газует и отводит тепло конденсации . ³ Затем он попадает в основной импеданс, капилляр с большим гидравлическим сопротивлением. Его охлаждают с помощью аппарата (описанного ниже) до температуры 500–700 мК. Впоследствии ³ Он протекает через вторичное сопротивление и одну сторону противоточного теплообменника, где охлаждается холодным потоком ³ Он. Наконец, чистый ³ Он попадает в камеру смешения, самую холодную зону устройства.

В смесительной камере две фазы ³ Он- ⁴ Смесь, концентрированная фаза (практически 100% ³ He) и разбавленной фазы (около 6,6% ³ Он и 93,4% ⁴ He), находятся в равновесии и разделены фазовой границей. Внутри камеры, ³ Он разбавлен, поскольку перетекает из концентрированной фазы через границу фаз в разбавленную фазу. Тепло, необходимое для разбавления, представляет собой полезную охлаждающую мощность холодильника, поскольку процесс перемещения ³ Он через границу раздела фаз является эндотермическим и отводит тепло из среды камеры смешения. ³ Затем он покидает смесительную камеру в разбавленной фазе. На разбавленной стороне и в спокойном состоянии ³ Он течет сквозь сверхтекучесть ⁴ Тот, кто находится в покое. ³ Он движется по разбавленному каналу под действием градиента давления, как и любая другая вязкая жидкость. На пути вверх холод, разбавленный ³ Он охлаждает идущие вниз концентрированные ³ Он через теплообменники и попадает в перегонный аппарат. Давление в кубе поддерживается на низком уровне (около 10 Па) с помощью насосов при комнатной температуре. Пар в перегонном кубе практически чистый. ³ Он, имеющий гораздо более высокое парциальное давление, чем ⁴ Он при 500–700 мК. В перегонный аппарат подается тепло для поддержания постоянного потока ³ Он. Насосы сжимают ³ Он создает давление в несколько сотен миллибар и возвращает его обратно в криостат, завершая цикл.

Холодильники для безкриогенного разбавления

Современные холодильники разбавления могут предварительно охлаждать ³ Он с криоохладителем вместо жидкого азота, жидкого гелия и баней с температурой 1 К. В этих «сухих криостатах» не требуется внешняя подача криогенных жидкостей, а работа может быть высокоавтоматизирована. Однако сухие криостаты требуют больших затрат энергии и подвержены механическим вибрациям, например, создаваемым холодильниками с импульсной трубкой . Первые экспериментальные машины были построены в 1990-х годах, когда стали доступны (коммерческие) криорефрижераторы , способные достигать температуры ниже, чем у жидкого гелия , и имеющие достаточную охлаждающую мощность (порядка 1 Вт при 4,2 К). Импульсные трубчатые охладители обычно используются в холодильниках с сухим разбавлением.

Холодильники для сухого разбавления обычно имеют одну из двух конструкций. Одна конструкция включает внутренний вакуумный баллон, который используется для первоначального предварительного охлаждения машины от комнатной температуры до базовой температуры охладителя импульсной трубки (с использованием теплообменного газа). Однако каждый раз, когда холодильник охлаждается, необходимо создавать вакуумное уплотнение, выдерживающее криогенные температуры, а для экспериментальной проводки необходимо использовать низкотемпературные вакуумные вводы. Другая конструкция более сложна в реализации: для предварительного охлаждения требуются тепловые переключатели, но внутренний вакуум не требуется, что значительно снижает сложность экспериментальной проводки.

Мощность охлаждения

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 ${\dot {n}}_{3}$ это ³ He молярная скорость циркуляции, T _m — температура камеры смешения, T _i — температура ³ Он входит в смесительную камеру. Полезное охлаждение будет только тогда, когда

$T_{i}<2.8T_{m}.$

Это устанавливает максимальную температуру последнего теплообменника, т.к.выше этого вся мощность охлаждения расходуется только на охлаждение инцидента ³ Он.

Внутри смесительной камеры существует незначительное термическое сопротивление между чистой и разбавленной фазами. $T_{i}\approx T_{m}.$ и мощность охлаждения снижается до

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

Низкий T _m может быть достигнут только в том случае, если T _i низкий. В холодильниках с разбавлением Ti _{снижается за счет использования теплообменников ,} как показано на схематической диаграмме низкотемпературной области выше. Однако при очень низких температурах это становится все сложнее из-за так называемой устойчивости Капицы . Это термосопротивление на поверхности между жидкостями гелия и твердым телом теплообменника. Он обратно пропорционален T ⁴ площадь теплообменной поверхности A. и Другими словами: для получения той же термостойкости необходимо увеличить поверхность в 10 000 раз, если температура уменьшится в 10 раз. Чтобы получить низкое термическое сопротивление при низких температурах (ниже примерно 30 мК), необходима большая поверхность нужна площадь. Чем ниже температура, тем больше площадь. На практике используют очень мелкий серебряный порошок.

Ограничения

Принципиально ограничивающих низкую температуру холодильников разбавления не существует. Однако по практическим соображениям диапазон температур ограничен примерно 2 мК. При очень низких температурах вязкость и теплопроводность циркулирующей жидкости увеличиваются при понижении температуры. Для уменьшения вязкостного нагрева диаметры входных и выходных трубок камеры смешения должны составлять Т ⁻³
_м , а для получения низкого теплового потока длина труб должна составлять T ⁻⁸
_м . Это значит, что для уменьшения температуры в 2 раза нужно увеличить диаметр в 8 раз, а длину в 256 раз. Значит, объём нужно увеличить в 2 раза. ¹⁴ = 16 384. Другими словами: каждый см ³ при 2 мК станет 16 384 см. ³ при 1 мК. Машины станут очень большими и очень дорогими. Существует мощная альтернатива охлаждению ниже 2 мК: ядерное размагничивание .

См. также

• Адиабатическое размагничивание
• Магнитное охлаждение
• Холодильник Гелий-3
• Рефрижераторный транспорт Дьюар
• Хронология низкотемпературных технологий

Ссылки

• ОН Холл; Пи Джей Форд; К. Томсон (1966). «Холодильник для разбавления гелия-3». Криогеника . 6 (2): 80–88. Бибкод : 1966Cryo....6...80H . дои : 10.1016/0011-2275(66)90034-8 .
• Джей Си Уитли; О.Э. Вильчес; В. Р. Абель (1968). «Принципы и методы разбавления холодильного оборудования». Журнал физики низких температур . 4 : 1–64. дои : 10.1007/BF00628435 . S2CID   123091791 .
• Т. О. Ниикоски (1971). «Холодильник горизонтального разбавления с очень высокой охлаждающей способностью». Ядерные приборы и методы . 97 (1): 95–101. Бибкод : 1971NucIM..97...95N . дои : 10.1016/0029-554X(71)90518-0 .
• Г. Дж. Фроссати (1992). «Экспериментальная техника: методы охлаждения ниже 300 мК». Журнал физики низких температур . 87 (3–4): 595–633. Бибкод : 1992JLTP...87..595F . CiteSeerX   10.1.1.632.2758 . дои : 10.1007/bf00114918 . S2CID   120814643 .

Внешние ссылки

• Ланкастерский университет, Физика сверхнизких температур - Описание охлаждения с разбавлением.
• Гарвардский университет, Лаборатория Маркуса — Путеводитель по холодильнику для разбавления.