Холодильник для разбавления

Криогенное устройство для охлаждения до очень низких температур

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

Принципиальная схема влажного рефрижератора растворения ³ He/ ⁴ He без внешнего вакуумного экрана. (векторная графика)

Принципиальная схема стандартного или влажного холодильника разбавления.

Принципиальная схема низкотемпературной части холодильника растворения.

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

Система управления газом для рефрижератора с разбавлением гелия.

Принципиальная схема безкриогенного или сухого рефрижератора растворения, предварительно охлажденного двухступенчатым импульсным трубчатым холодильником , обозначенным пунктирным прямоугольником.

Рефрижератор растворения ³ He/ ⁴ He представляет собой криогенное устройство, обеспечивающее непрерывное охлаждение до температур до 2  мК , без подвижных частей в области низких температур. ^{[1] [2]} Охлаждающая способность обеспечивается теплом смешивания изотопов гелия -3 и гелия-4 .

Холодильник с разбавлением был впервые предложен Хайнцем Лондоном в начале 1950-х годов и был экспериментально реализован в 1964 году в лаборатории Камерлинг-Оннеса в Лейденском университете . ^[3] Область охлаждения с разбавлением рассматривается Зу и др. ^[4]

Теория работы

Процесс охлаждения использует смесь двух изотопов гелия : гелий-3 и гелий-4 . При охлаждении ниже примерно 870 милликельвинов смесь подвергается спонтанному 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 по существу представляет собой чистый ³ He, тогда как разбавленная фаза содержит около 6,6% ³ He и 93,4% ⁴ He. Рабочей жидкостью является ³ He, который циркулирует с помощью вакуумных насосов при комнатной температуре.

3He поступает в криостат под давлением в несколько сотен миллибар . В классическом рефрижераторе растворения (известном как рефрижератор влажного растворения ⁾ 3He ^{предварительно} охлаждается и очищается жидким азотом при 77 К и ванной с ^4He при 4,2 К. Затем ^3He поступает в вакуумную камеру, где он дополнительно охлаждается до температуры 1,2–1,5 К ванной с 1 К , вакуумной ванной с ^4He (поскольку уменьшение давления в резервуаре с гелием снижает его точку кипения). Ванна с 1 К сжижает газ ^3He и отводит тепло конденсации . Затем ^3He поступает в основной импеданс, капилляр с большим сопротивлением потоку. Он охлаждается дистиллятором (описанным ниже) до температуры 500–700 мК. Затем ^3He протекает через вторичное сопротивление и одну сторону набора противоточных теплообменников, где охлаждается холодным потоком ^3He . Наконец, чистый ^3He поступает в смесительную камеру, самую холодную область устройства.

В смесительной камере две фазы смеси ³ He– ⁴ He, концентрированная фаза (практически 100% ³ He) и разбавленная фаза (около 6,6% ³ He и 93,4% ⁴ He), находятся в равновесии и разделены границей раздела фаз. Внутри камеры ³ He разбавляется, поскольку 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 фаз является эндотермическим и отводит тепло из среды смесительной камеры. Затем ³ He покидает смесительную камеру в разбавленной фазе. На стороне разбавления и в дистилляторе ³ He протекает через сверхтекучий ⁴ He, который находится в состоянии покоя. ³ He движется через канал разбавления градиентом давления, как и любая другая вязкая жидкость. ^[5] На своем пути вверх холодный разбавленный ³ He охлаждает текущий вниз концентрированный ³ He через теплообменники и поступает в дистиллятор. Давление в дистилляторе поддерживается на низком уровне (около 10 Па) насосами при комнатной температуре. Пар в дистилляторе представляет собой практически чистый ³ He, который имеет гораздо более высокое парциальное давление, чем ⁴ He при 500–700 мК. Тепло подается в дистиллятор для поддержания постоянного потока ³ He. Насосы сжимают ³ He до давления в несколько сотен миллибар и возвращают его в криостат, завершая цикл.

Холодильники для разбавления без криогена

Современные рефрижераторы растворения могут предварительно охлаждать ³ He с помощью криоохладителя вместо жидкого азота, жидкого гелия и ванны 1 К. ^[6] В этих «сухих криостатах» не требуется внешнего источника криогенных жидкостей, и работа может быть высоко автоматизирована. Однако сухие криостаты имеют высокие энергетические потребности и подвержены механическим вибрациям, таким как те, которые производятся рефрижераторами с импульсными трубками . Первые экспериментальные машины были построены в 1990-х годах, когда стали доступны (коммерческие) криоохладители , способные достигать температуры ниже температуры жидкого гелия и имеющие достаточную мощность охлаждения (порядка 1 Вт при 4,2 К). ^[7] Охладители с импульсными трубками являются обычно используемыми криоохладителями в рефрижераторах сухого растворения.

Холодильники сухого разбавления обычно следуют одной из двух конструкций. Одна конструкция включает внутреннюю вакуумную емкость, которая 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 сделать вакуумное уплотнение, которое удерживает криогенные температуры, и использовать низкотемпературные вакуумные вводы для экспериментальной проводки. Другая конструкция более сложна в реализации, требуя тепловых переключателей, которые необходимы для предварительного охлаждения, но внутренняя вакуумная емкость не требуется, что значительно снижает сложность экспериментальной проводки.

Мощность охлаждения

Мощность охлаждения (в ваттах) в смесительной камере приблизительно определяется по формуле

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

где - молярная скорость циркуляции ³ He, T _m - температура в смесительной камере, а T _{i -} температура ³ He, поступающего в смесительную камеру. 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 этого значения вся мощность охлаждения расходуется только на охлаждение падающего ^3He .

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

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

Низкая T _m может быть достигнута только при низкой T _i . В холодильниках растворения T _i снижается с помощью теплообменников, как показано на принципиальной схеме низкотемпературной области выше. Однако при очень низких температурах это становится все более и более трудным из-за так называемого сопротивления Капицы . Это тепловое сопротивление на поверхности между жидкостями гелия и твердым телом теплообменника. Оно обратно пропорционально T ⁴ и площади теплообменной поверхности A . Другими словами: чтобы получить то же тепловое сопротивление, нужно увеличить поверхность в 10 000 раз, если температура уменьшается в 10 раз. Чтобы получить низкое тепловое сопротивление при низких температурах (ниже примерно 30 мК), необходима большая площадь поверхности. Чем ниже температура, тем больше площадь. На практике используют очень мелкий серебряный порошок.

Ограничения

Не существует фундаментальной предельной низкой температуры для холодильников растворения. Однако диапазон температур ограничен примерно 2 мК по практическим причинам. При очень низких температурах как вязкость, так и теплопроводность циркулирующей жидкости увеличиваются, если температура понижается. Для уменьшения вязкого нагрева диаметры входных и выходных трубок смесительной камеры должны быть такими, как T⁻³
_ми чтобы получить низкий тепловой поток, длина трубок должна быть как 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. 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 для охлаждения ниже 2 мК: ядерное размагничивание .

Смотрите также

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

Ссылки

1. Lounasmaa, OV (1974). Экспериментальные принципы и методы ниже 1 К. Лондон: Academic Press. стр. 316. ISBN 978-0-12-455950-9.
2. Pobell, Frank (2007). Материя и методы при низких температурах . Берлин: Springer-Verlag. стр. 461. ISBN 978-3-540-46360-3.
3. Das, P.; Ouboter, RB; Taconis, KW (1965). "Реализация холодильника типа London-Clarke-Mendoza". Low Temperature Physics LT9 . стр. 1253. doi :10.1007/978-1-4899-6443-4_133. ISBN 978-1-4899-6217-1.
4. – обзор». Криогеника . 121. doi :10.1016/j.cryogenics.2021.103390. ISSN  0011-2275. S2CID  244005391.
5. de Waele, A.Th.AM; Kuerten, JGM (1991). "Термодинамика и гидродинамика смесей ³ He– ⁴ He". В Brewer, DF (ред.). Progress in Low Temperature Physics, том 13. Elsevier. стр. 167–218. ISBN 978-0-08-087308-4.
6. de Waele, ATAM (2011). «Основные принципы 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-x .
7. Uhlig, K.; Hehn, W. (1997). " Рефрижератор для разбавления ³ He/ ⁴ He, предварительно охлажденный рефрижератором Гиффорда-Мак-Магона". Криогеника . 37 (5): 279. Bibcode : 1997Cryo...37..279U. doi : 10.1016/S0011-2275(97)00026-X.

• Холл, Х. Э.; Форд, П. Дж.; Томсон, К. (1966). «Рефрижератор для разбавления гелия-3». Криогеника . 6 (2): 80–88. Bibcode : 1966Cryo....6...80H. doi : 10.1016/0011-2275(66)90034-8.
• Уитли, Дж. К.; Вилчес, О. Э.; Абель, В. Р. (1968). «Принципы и методы охлаждения разбавлением». Журнал физики низких температур . 4 : 1–64. doi : 10.1007/BF00628435. S2CID  123091791.
• Нииникоски, ТО (1971). «Горизонтальный рефрижератор растворения с очень высокой охлаждающей способностью». Ядерные приборы и методы . 97 (1): 95–101. Bibcode : 1971NucIM..97...95N. doi : 10.1016/0029-554X(71)90518-0.
• Frossati, GJ (1992). "Экспериментальные методы: 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. S2CID  120814643.

Внешние ссылки

• Ланкастерский университет, физика сверхнизких температур – Описание охлаждения растворением.
• Гарвардский университет, лаборатория Маркуса – Автостопом по холодильнику для разбавления.