Рефрижератор растворения

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Рефрижератор растворения

Рефрижератор растворения — криогенное устройство, впервые предложенное Хайнцем Лондоном. В процессе охлаждения используется смесь двух изотопов гелия: 3He и 4He. При охлаждении ниже 700 мК смесь испытывает самопроизвольное разделение фаз, образуя фазы богатую 3He и богатую 4He.

Как и при охлаждении испарением, для переноса атомов 3He из фазы богатой 3He в фазу богатую 4He требуется энергия. Если заставить атомы 3He непрерывно пересекать границу раздела фаз, смесь будет эффективно охлаждаться. Поскольку фаза богатая 4He не может содержать меньше чем 6 % 3He даже при абсолютном нуле температуры в равновесии, рефрижератор растворения может быть эффективным при очень низких температурах. Емкость, в которой происходит этот процесс называется смесительная камера.

Наиболее простое применение — «одноразовый» рефрижератор растворения. В одноразовом режиме большой объем 3He постепенно перемещается через границу раздела фаз в фазу, богатую 4He. Когда весь запас 3He оказывается в фазе, богатой 4He, рефрижератор не может продолжать работу.

Намного чаще рефрижераторы растворения работают в непрерывном цикле. Смесь 3He / 4He ожижается в конденсаторе, который подсоединен через дроссель к области богатой 3He смесительной камеры. Атомы 3He, проходя через границу раздела фаз, отбирают энергию у системы. Далее следует различать рефрижераторы растворения с внешней и с внутренней откачкой. В первом случае пары 3He откачивается высоковакуумным насосом (турбомолекулярным или диффузионным). Во втором — сорбционным насосом. Рефрижераторы растворения с внешней откачкой обеспечивают большую холодопроизводительность, однако нуждаются в большем количестве 3He. Откачанный 3He, иногда очищенный, возвращается в конденсор.

Рефрижераторы растворения с непрерывным циклом обычно используются в низкотемпературных физических экспериментах.

Охлаждающая мощность

Охлаждающая мощность (в Ваттах) в смесительной камере может быть примерно рассчитана по следующей формуле:

\dot Q_m\ \mathrm{[W]} =(\dot n_3\ \mathrm{[mol/s]})\left[95(T_m\ \mathrm{[K]})^2-11(T_i\ \mathrm{[K]})^2\right]

где \dot n_3 - скорость циркуляции 3He, Tm - температура в смесительной камере, и Ti - температура 3He при попадании в смесительную камеру.[1] В случае, если тепловая нагрузка равна нулю, имеется фиксированное соотношение между двумя температурами:

T_m =\frac{T_i}{2.8}.

Из этого соотношения видно, что низкая Tm может быть достигнута, только если Ti также мала. В рефрижераторе растворения последняя уменьшается с помощью теплообменников. Однако, при очень низких температурах это становится весьма сложным из-за так называемого сопротивления Капицы. Это тепловое сопротивление на границе раздела между жидким гелием и поверхностью теплообменника. Оно обратно пропорционально T4 и площади поверхности теплообмена A. Другими словами: тепловое сопротивление при увеличении площади поверхности в 10,000 раз остается тем же, если температура уменьшается в 10 раз. Таким образом, для получения малого термального сопротивления при низкой температуре (ниже 30 мК) нужна весьма большая площадь поверхности теплообменника. На практике с этими целями используется очень мелкодисперсный серебряный порошок. Впервые это было предложено профессором Дж. Фроссати в 1970 году.[2] В настоящее время компания, основанная им, является ведущим производителем рефрижераторов растворения и другой Hi-end холодильной техники. [3]

Ограничения Принципиального ограничения минимальной температуры, достижимой в рефрижераторах растворения, нет. Тем не менее, температурный диапазон ограничивается примерно 2 мК по практическим соображениям: чем ниже температура циркулирующей жидкости, тем больше ее вязкость и теплопроводность. Для уменьшения теплоты внутреннего трения в вязкой жидкости диаметры входного и выходного патрубков камеры смешения должен быть Tm−3, а для уменьшения теплопередачи длина трубы должна быть Tm−8. 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 214=16384 раз. Другими словами: каждый см3 при 2 мК требует 16,384 л на 1 мК. В результате рефрижератор окажется очень большим и очень дорогим. Для охлаждения до температур ниже 2мК существует альтернатива: ядерное адиабатическое размагничивание.

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]


  1. Pobell, Frank Matter and Methods at Low Temperatures. // Berlin: Springer-Verlag.. — 2007. — С. 461.
  2. О компании Leiden Cryogenics.
  3. О компании Leiden Cryogenics (на русском).