Холодильник с импульсной трубкой (PTR) или криокулер с импульсной трубкой — это развивающаяся технология, которая появилась в основном в начале 1980-х годов вместе с рядом других инноваций в более широкой области термоакустики . В отличие от других криокуллеров (например, криокулера Стирлинга и холодильников GM ), этот криокулер может быть изготовлен без движущихся частей в низкотемпературной части устройства, что делает охладитель пригодным для широкого спектра применений.
Криокулера с импульсной трубкой используются в нишевых промышленных приложениях, таких как производство полупроводников и сверхпроводниковых радиочастотных цепей. [1] Они также используются в военных целях, например, для охлаждения инфракрасных датчиков . [2]
В исследованиях PTR часто используются в качестве предварительных охладителей холодильников разбавления . Они также разрабатываются для охлаждения астрономических детекторов , в которых обычно используются жидкие криогены, таких как Атакамский космологический телескоп [3] или эксперимент Qubic [4] (интерферометр для космологических исследований). Импульсные трубки особенно полезны в космических телескопах, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба [5] , где невозможно пополнить запасы криогенов по мере их истощения. Было также высказано предположение, что импульсные трубки можно использовать для сжижения кислорода на Марсе . [6]
На рисунке 1 представлен холодильник с импульсной трубкой (PTR) с одним отверстием типа Стирлинга, который заполнен газом, обычно гелием , под давлением от 10 до 30 бар. Слева направо компоненты:
Часть между X 1 и X 3 термически изолирована от окружающей среды, обычно с помощью вакуума. Давление меняется постепенно, а скорости газа малы. Так что название «импульсный» трубчатый охладитель вводит в заблуждение, поскольку в системе нет импульсов.
Поршень периодически перемещается слева направо и назад. В результате газ также движется слева направо и обратно, а давление внутри системы увеличивается и уменьшается. Если газ из компрессорного пространства движется вправо, он поступает в регенератор с температурой T H и выходит из регенератора на холодном конце с температурой T L , следовательно, тепло передается материалу регенератора. По возвращении тепло, накопленное в регенераторе, передается обратно газу.
В трубке газ термически изолирован (адиабатический), поэтому температура газа в трубке меняется в зависимости от давления.
На холодном конце трубки газ входит в трубку через X 2 , когда давление высокое и температура T L , и возвращается, когда давление низкое и температура ниже TL , забирая, следовательно, тепло от X 2 : это дает желаемый охлаждающий эффект при X 2 .
Чтобы понять, почему газ низкого давления возвращается при более низкой температуре, посмотрите на рисунок 1 и рассмотрите молекулы газа вблизи X 3 (на горячем конце), которые входят и выходят из трубки через отверстие. Молекулы текут в трубку (слева), когда давление в трубке низкое (оно засасывается в трубку через Х 3 , поступающее из отверстия и буфера). На входе в трубку он имеет температуру T H . Позже в цикле та же масса газа снова выталкивается из трубки, когда давление внутри трубки становится высоким. Как следствие, его температура будет выше T H . В теплообменнике Х 3 он выделяет тепло и охлаждается до температуры окружающей среды T H . [7]
На рисунке 3 показана коаксиальная импульсная трубка, которая является более полезной конфигурацией, в которой регенератор окружает центральную импульсную трубку. Он компактен и размещает холодную головку на конце, поэтому его легко интегрировать с объектом, подлежащим охлаждению. Вытеснитель может управляться пассивно, что позволяет восстановить работу, которая в противном случае была бы рассеяна в отверстии.
Производительность охладителя определяется главным образом качеством регенератора. Он должен удовлетворять противоречивым требованиям: он должен иметь низкое гидравлическое сопротивление (поэтому он должен быть коротким с широкими каналами), но и теплообмен должен быть хорошим (поэтому он должен быть длинным с узкими каналами). Материал должен обладать большой теплоемкостью. При температурах выше 50 К пригодны практически все материалы. Часто используется бронза или нержавеющая сталь. Для температур от 10 до 50 К наиболее подходит свинец. Ниже 10 К используются магнитные материалы, специально разработанные для этого применения.
Так называемый коэффициент производительности (COP; обозначается ) охладителей определяется как соотношение мощности охлаждения и мощности компрессора P. В формуле: . Для идеально реверсивного охладителя это определяется теоремой Карно :
Однако холодильник с импульсной трубкой не является полностью реверсивным из-за наличия отверстия, обладающего сопротивлением потоку. Вместо этого COP идеального PTR определяется выражением
что ниже, чем у идеальных кулеров.
В большинстве охладителей газ периодически сжимается и расширяется. Хорошо известные охладители, такие как охладители двигателя Стирлинга и популярные охладители Гиффорда-МакМагона, имеют вытеснитель, который гарантирует, что охлаждение (за счет расширения) происходит в другой области машины, чем нагрев (из-за сжатия). Благодаря продуманной конструкции ПТР не имеет такого вытеснителя, что делает конструкцию ПТР проще, дешевле и надежнее. Кроме того, отсутствуют механические вибрации и электромагнитные помехи. Основные принципы работы криохладителей и связанных с ними тепловых машин описаны Де Ваэлем [8].
У. Э. Гиффорд и Р. К. Лонгсворт в 1960-х годах изобрели так называемый базовый холодильник с импульсной трубкой. [9] [10] [11] [12] Современный ПТР был изобретен в 1984 году Микулиным, который ввел отверстие в основную импульсную трубку. [13] Он достиг температуры 105 К. Вскоре после этого ПТР стали лучше благодаря изобретению новых вариаций. [14] [15] [16] [17] [18] Это показано на рисунке 4, где самая низкая температура для PTR изображена как функция времени.
На данный момент самая низкая температура ниже точки кипения гелия (4,2 К). Первоначально это считалось невозможным. Некоторое время казалось, что ниже лямбда-точки 4 He (2,17 К) охладиться невозможно , но низкотемпературная группа Эйндховенского технологического университета сумела охладиться до температуры 1,73 К, заменив привычный 4 He как хладагент благодаря редкому изотопу 3 He. Позже этот рекорд был побит группой Гиссена, которой удалось опуститься даже ниже 1,3 К. В сотрудничестве групп из Гиссена и Эйндховена температура 1,2 К была достигнута за счет сочетания ПТР со сверхтекучим вихревым охладителем. [19]
Для охлаждения источник изменений давления неважен. ПТР для температур ниже 20 К обычно работают на частотах от 1 до 2 Гц и при изменении давления от 10 до 25 бар. Рабочий объем компрессора будет очень большим (до литра и более). Таким образом, компрессор отсоединяется от охладителя. Система клапанов (обычно вращающийся клапан) поочередно соединяет сторону высокого и низкого давления компрессора с горячим концом регенератора. Поскольку высокотемпературная часть этого типа ПТР такая же, как и у GM-охладителей, этот тип ПТР называется ПТР типа ГМ. Потоки газа через клапаны сопровождаются потерями, которые отсутствуют в ПТР Стирлинга.
PTR можно классифицировать по форме. Если регенератор и трубка расположены на одной линии (как на рис. 1), то речь идет о линейном ПТР. Недостаток линейного ПТР в том, что холодная точка находится посередине кулера. Для многих применений предпочтительно, чтобы охлаждение осуществлялось в конце охладителя. Изогнув ПТР получим П-образный кулер. Оба горячих конца могут быть установлены на фланце вакуумной камеры при комнатной температуре. Это наиболее распространенная форма PTR. Для некоторых применений предпочтительно иметь цилиндрическую геометрию. В этом случае ФТР можно сконструировать коаксиально, так что регенератор представляет собой кольцеобразное пространство, окружающее трубку.
Самая низкая температура, достигаемая с помощью одноступенчатых PTR, составляет чуть выше 10 К. [20] Однако один PTR можно использовать для предварительного охлаждения другого. Горячий конец второй трубки соединен с температурой комнатной температуры, а не с холодным концом первой ступени. Таким хитрым способом удается избежать того, что тепло, выделяющееся на горячем конце второй трубки, является нагрузкой на первую ступень. В приложениях первая ступень также работает как платформа температурной фиксации, например, для защитного охлаждения криостатов со сверхпроводящими магнитами. Мацубара и Гао первыми охладили температуру ниже 4 К с помощью трехступенчатого ПТР. [21] С помощью двухступенчатых PTR были получены температуры 2,1 К, то есть чуть выше λ-точки гелия. На трехступенчатом ПТР достигнута температура 1,73 К при использовании в качестве рабочего тела 3 Не. [22]
Коэффициент полезного действия ПТР при комнатной температуре невысок, поэтому маловероятно, что они сыграют роль в домашнем охлаждении. Однако ниже примерно 80 К коэффициент полезного действия сравним с другими кулерами (сравните уравнения ( 1 ) и ( 2 )), а в области низких температур преимущества берут верх. PTR коммерчески доступны для температур в районе 70 К и 4 К. Они применяются в системах инфракрасного обнаружения, для снижения теплового шума в устройствах на основе (высокотемпературной ) сверхпроводимости, таких как СКВИДы , и в фильтрах для телекоммуникаций. PTR также подходят для охлаждения МРТ-систем и энергетических систем с использованием сверхпроводящих магнитов. В так называемых сухих магнитах используются охладители, позволяющие вообще отказаться от криожидкости или для повторной конденсации испаряющегося гелия. Также привлекательной является комбинация криорефрижераторов с холодильниками разбавления 3 He- 4 He [23] для диапазона температур до 2 мК, поскольку таким образом облегчается доступ ко всему диапазону температур от комнатной температуры до 2 мК.
Во многих экспериментах при низких температурах механические вибрации, вызванные PTR, могут вызвать появление микрофонов на измерительных линиях, что является большим недостатком PTR. Использование сканирующих туннельных микроскопов (СТМ) на основе PTR исторически было трудным, особенно для использования в сканирующей зондовой микроскопии из-за чрезвычайной чувствительности СТМ к вибрации. Использование обменного газа над чувствительной к вибрации сканирующей головкой позволило создать первые низкотемпературные СТМ на основе PTR. [24] В настоящее время существуют коммерчески доступные системы сканирующих зондов на основе PTR, не требующие криогена. [25]