Холодильник разбавления - Dilution refrigerator

Фазовая диаграмма жидкости ³Он-⁴Смеси, показывающие разделение фаз.

Принципиальная схема мокрой ³Он/⁴Холодильник разбавления без внешнего вакуумного экрана. (векторная графика)

Принципиальная схема стандартного холодильника для влажного разбавления.

Принципиальная схема низкотемпературной части холодильника разбавления.

Внутри мокрый Оксфордские инструменты холодильник для разбавления гелия с удаленными вакуумными баллончиками.

Система газового контроля для холодильника с разбавлением гелия.

Принципиальная схема холодильника без криогенного или сухого разбавления, предварительно охлаждаемого двухступенчатым импульсный трубчатый холодильник, обозначенный пунктирным прямоугольником.

А ³Он/⁴Он холодильник для разбавления это криогенный устройство, обеспечивающее непрерывное охлаждение до температур до 2мК, без движущихся частей в области низких температур.^[1] Мощность охлаждения обеспечивается теплота смешивания из Гелий-3 и Гелий-4 изотопы.

Холодильник разбавления был впервые предложен Хайнц Лондон в начале 1950-х годов, и была экспериментально реализована в 1964 году в лаборатории Камерлинг-Оннес на Лейденский университет.^[2]

Теория Операции

В процессе охлаждения используется смесь двух изотопы из гелий: гелий-3 и гелий-4. При охлаждении ниже примерно 870 милликельвины, в смеси происходит самопроизвольное разделение фаз с образованием ³Фаза, богатая гелином (концентрированная фаза) и ³Бедная фаза (разбавленная фаза). Как показано на фазовой диаграмме, при очень низких температурах концентрированная фаза по существу чистая. ³Он, в то время как разбавленная фаза содержит около 6,6% ³Он и 93,4% ⁴Он. Рабочая жидкость ³Он, который циркулирует с помощью вакуумных насосов при комнатной температуре.

В ³Он входит в криостат под давлением несколько сотен. миллибар. В классическом холодильнике для разбавления (известном как холодильник с жидким разбавлением), ³Он предварительно охлаждается и очищенный к жидкий азот при 77 К и ⁴Он принимает ванну при 4,2 К. Далее ³Он попадает в вакуумную камеру, где дополнительно охлаждается до температуры 1,2–1,5 К за счет 1 К ванна, вакуумный ⁴Он ванна (так как уменьшение давления в резервуаре с гелием понижает его температуру кипения). Ванна 1 K разжижает ³Он газ и удаляет теплота конденсации. В ³Затем он входит в главный импеданс - капилляр с большим сопротивлением потоку. Охлаждается дистиллятором (описанным ниже) до температуры 500–700 мК. Впоследствии ³Он протекает через вторичный импеданс и одну сторону набора противоточных теплообменников, где он охлаждается холодным потоком ³Он. Наконец, чистый ³Он попадает в смесительную камеру, самую холодную зону устройства.

В смесительной камере две фазы ³Он-⁴Смесь, концентрированная фаза (практически 100% ³Он) и разбавленная фаза (около 6,6% ³Он и 93,4% ⁴He), находятся в равновесии и разделены межфазной границей. Внутри камеры ³Он разбавляется по мере того, как он перетекает из концентрированной фазы через границу раздела фаз в разбавленную фазу. Тепло, необходимое для разбавления, - это полезная охлаждающая способность холодильника, так как процесс перемещения ³Он через границу раздела фаз является эндотермическим и отводит тепло от среды камеры смешения. В ³Затем он покидает смесительную камеру в разбавленной фазе. На стороне разбавления и в неподвижном состоянии ³Он течет через сверхтекучий ⁴Тот, кто находится в покое. В ³Он движется через канал разбавления за счет градиента давления, как и любую другую вязкую жидкость.^[3] По пути наверх холодный, разбавленный ³Он охлаждает нисходящую концентрированную ³Он через теплообменники попадает в перегонный куб. Насосы поддерживают низкое давление в аппарате (около 10 Па) при комнатной температуре. Пар в аппарате практически чистый. ³Он, у которого парциальное давление намного выше, чем у ⁴Он на 500–700 мК. В перегонный куб подается тепло для поддержания постоянного потока ³Он. Насосы сжимают ³Он достигает давления в несколько сотен миллибар и подает его обратно в криостат, завершая цикл.

Холодильники для безкриогенного разбавления

Современные холодильники для разбавления могут предварительно охладить ³Он с криокулер вместо жидкого азота, жидкого гелия и ванны 1 К.^[4] В этих «сухих криостатах» не требуется внешней подачи криогенных жидкостей, и работа может быть в высокой степени автоматизирована. Однако сухие криостаты требуют высоких энергозатрат и подвержены механическим вибрациям, например, производимым импульсные трубчатые холодильники. Первые опытные машины были построены в 1990-х годах, когда (коммерческие) криокулеры стали доступны, способные достигать температуры ниже, чем у жидкий гелий и имеющий 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 импульсной трубки (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. Другая конструкция более сложна для реализации, требуя термовыключателей, которые необходимы для предварительного охлаждения, но не требуется внутренний вакуумный баллон, 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 {моль / с }}] right) left (95 (T_ {m} ; [{ text {K}}]) ^ {2} -11 (T_ {i} ; [{ text {K}}]) ^ {2} right)}

куда ${ displaystyle { dot {n}} _ {3}}$ это ³Скорость молярной циркуляции, Т_м - температура камеры смешения, а Т_я температура ³Он входит в смесительную камеру.^[6] Полезное охлаждение будет только тогда, когда

{ displaystyle T_ {i} <2,8T_ {м}.}

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

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

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

Низкий Т_м может быть достигнуто только если Т_я низкий. В холодильниках для разбавления Т_я снижается 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 Капице сопротивление. Это тепловое сопротивление на поверхности между жидким гелием и твердым телом теплообменника. Он обратно пропорционален Т⁴ и площадь теплообменной поверхности А. 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

Нет принципиальных ограничений по низкой температуре холодильников разбавления. Однако из практических соображений 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 быть равны Т⁻³
_м и для получения низкого теплового потока длины трубок должны быть такими, как Т⁻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 см³ при 2 мк станет 16 384 см³ при 1 мк. Машины станут очень большими и очень дорогими. Для охлаждения ниже 2 мК есть мощная альтернатива: ядерное размагничивание.

Смотрите также

внешняя ссылка

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

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

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

[3] Waele, A.Th.A.M .; Kuerten, J.G.M. (1991). «Термодинамика и гидродинамика ³Он-⁴Он смеси ». В Брюэр, Д. Ф. (ред.). Успехи физики низких температур, Том 13. Эльзевир. С. 167–218. ISBN 9780080873084.

[4] Уэле, А. Т. А. М. (2011). «Основные принципы работы криокулеров и связанных с ними тепловых машин». Журнал физики низких температур. 164 (5–6): 179–236. Bibcode:2011JLTP..164..179D. Дои:10.1007 / s10909-011-0373-x.

[5] Улиг, К .; Хен, В. (1997). "³Он/⁴Холодильник разбавления предварительно охлаждается холодильником Гиффорд-МакМэхон ». Криогеника. 37 (5): 279. Bibcode:1997Cryo ... 37..279U. Дои: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]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]