Холодильник для разбавления

Криогенное устройство для охлаждения до очень низких температур

Фазовая диаграмма жидких смесей ³ He– ⁴ He, показывающая разделение фаз.

Принципиальная схема холодильника для влажного разбавления ³ He/ ⁴ He 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).

Холодильник для разбавления ³ He/ ⁴ He представляет собой криогенное устройство, обеспечивающее непрерывное охлаждение до температур до 2  мК , без движущихся частей в области низких температур. ^{[1] [2]} Охлаждающая способность обеспечивается за счет тепла 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 . ^[3] Обзор области разбавления охлаждения представлен Zu et al. ^[4]

Теория Операции

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 фазы, богатой ³ He (концентрированная фаза) и фазы, бедной ³ He (разбавленная фаза). Как показано на фазовой диаграмме, при очень низких температурах концентрированная фаза представляет собой практически чистый ³ He, а разбавленная фаза содержит около 6,6% ³ He и 93,4% ⁴ He. Рабочее тело — ³ He, циркуляция которого осуществляется вакуумными насосами при комнатной температуре.

3 ^He поступает в криостат под давлением в несколько сотен миллибар . В классическом холодильнике разбавления (известном как холодильник мокрого разбавления ) ³ He предварительно охлаждается и очищается жидким азотом при 77 К и в ванне с ⁴ Не при 4,2 К. Затем ³ Не поступает в вакуумную камеру, где он дополнительно охлаждается. до температуры 1,2–1,5 К с помощью ванны 1 К , ванны ⁴ Не с вакуумной накачкой (поскольку уменьшение давления в резервуаре с гелием снижает его температуру кипения). Ванна с температурой 1 К сжижает газ ³ He и отводит тепло конденсации . Затем 3 He попадает ^в основной импеданс, капилляр с большим гидравлическим сопротивлением. Его охлаждают в аппарате (описанном ниже) до температуры 500–700 мК. Затем ³ He протекает через вторичное сопротивление и одну сторону противоточного теплообменника, где охлаждается холодным потоком ³ He. Наконец, чистый ³ He попадает в камеру смешения, самую холодную зону устройства.

В камере смешения две фазы смеси ³ He– ⁴ He – концентрированная (практически 100 % ³ He) и разбавленная (около 6,6 % ³ He и 93,4 % ⁴ He) – находятся в равновесии и разделены перегородкой. фазовая граница. Внутри камеры ³ He разбавляется по мере того, как он перетекает из концентрированной фазы через границу фаз в разбавленную фазу. Тепло, необходимое для разбавления, представляет собой полезную охлаждающую мощность холодильника, поскольку процесс перемещения ³ He через границу фаз является эндотермическим и отводит тепло из среды камеры смешения. Затем 3 ^He покидает смесительную камеру в разбавленной фазе. На разбавленной стороне и в аппарате ³ He течет через сверхтекучий ⁴ He, который находится в покое. 3 He проходит через разбавленный канал под действием градиента давления, как и любая другая вязкая жидкость ^{. [5]} По пути вверх холодный разбавленный ³ He охлаждает текущий вниз концентрированный ³ He через теплообменники и поступает в перегонный аппарат. Давление в кубе поддерживается на низком уровне (около 10 Па) с помощью насосов при комнатной температуре. Пар в кубе представляет собой практически чистый ³ He, имеющий гораздо более высокое парциальное давление, чем ⁴ He при 500–700 мК. В перегонный аппарат подается тепло для поддержания постоянного потока ³ He. Насосы сжимают ³ He до давления в несколько сотен миллибар и подают его обратно в криостат, завершая цикл.

Безкриогенные холодильники для разбавления

Современные холодильники для разбавления могут предварительно охлаждать ³ He с помощью криохладителя вместо жидкого азота, жидкого гелия и ванны с температурой 1 К. ^[6] В этих «сухих криостатах» не требуется внешняя подача криогенных жидкостей, и 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). ^[7] 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

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

где – молярная скорость циркуляции ³ He, T _m – температура камеры смешения, T _{i –} температура поступающего в камеру смешения ³ He. Полезное охлаждение будет только тогда, когда ${\displaystyle {\dot {n}}_{3}}$

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

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

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

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

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. Она обратно пропорциональна Т ⁴ и площади теплообменной поверхности А . Другими словами: для получения той же теплостойкости 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
_ми чтобы получить низкий тепловой поток, длина трубок должна быть равна 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 ¹⁴  = 16 384 раза. 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 .

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Лоунасмаа, О.В. (1974). Экспериментальные принципы и методы ниже 1 К. Лондон: Academic Press. п. 316. ИСБН 978-0-12-455950-9.
2. Побелл, Фрэнк (2007). Вещество и методы при низких температурах . Берлин: Springer-Verlag. п. 461. ИСБН 978-3-540-46360-3.
3. Дас, П.; Уботер, РБ; Таконис, К.В. (1965). «Реализация холодильника типа Лондон-Кларк-Мендоса». Физика низких температур LT9 . п. 1253. дои : 10.1007/978-1-4899-6443-4_133. ISBN 978-1-4899-6217-1.
4. Зу, Х.; Дай, В.; де Ваэле, АТАМ (2022). «Разработка холодильников разбавления – обзор». Криогеника . 121 . doi :10.1016/j.cryogenics.2021.103390. ISSN  0011-2275. S2CID  244005391.
5. де Ваэле, AThAM; Куэртен, JGM (1991). «Термодинамика и гидродинамика смесей ³ He– ⁴ He». В Брюэре, Д.Ф. (ред.). Прогресс в физике низких температур, Том 13 . Эльзевир. стр. 167–218. ISBN 978-0-08-087308-4.
6. де Ваэле, ATAM (2011). «Основы работы криохладителей и связанных с ними тепловых машин». Журнал физики низких температур . 164 (5–6): 179–236. Бибкод : 2011JLTP..164..179D. дои : 10.1007/s10909-011-0373-x .
7. Улиг, К.; Хен, В. (1997). « Холодильник разбавления ³ He/ ⁴ He с предварительным охлаждением с помощью холодильника Гиффорда-МакМагона». Криогеника . 37 (5): 279. Бибкод : 1997Крио...37..279U. дои : 10.1016/S0011-2275(97)00026-X.

• ОН Холл; Пи Джей Форд; К. Томсон (1966). «Холодильник для разбавления гелия-3». Криогеника . 6 (2): 80–88. Бибкод : 1966Крио....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.