Рефрижератор растворения

Рефрижератор растворения

Рефрижера́тор растворе́ния — 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. Ёмкость, в которой происходит этот процесс, называется смесительной камерой.

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 подсоединён через дроссель к области смесительной камеры, богатой ³He. 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 откачиваются 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:

${\dot {Q}}_{\mathrm {m} }\ {\text{[Вт]}}=({\dot {n}}_{3}\ {\text{[моль/с]}})\left(95(T_{\mathrm {m} }\ \mathrm {[K]} )^{2}-11(T_{\mathrm {i} }\ \mathrm {[K]} )^{2}\right),$

где ${\dot {n}}_{3}$ — скорость циркуляции ³He, T_m — температура в смесительной камере, и T_i — температура ³He при попадании в смесительную камеру. В случае, если тепловая нагрузка равна нулю, имеется фиксированное соотношение между двумя температурами:

$T_{\mathrm {m} }={\frac {T_{\mathrm {i} }}{2{,}8}}.$

Из этого соотношения видно, что низкая T_m может быть достигнута, только если T_i 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 остаётся 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. В настоящее время компания, основанная им, является ведущим производителем рефрижераторов растворения и другой Hi-end холодильной техники.

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 её вязкость и теплопроводность. Для уменьшения теплоты внутреннего трения в вязкой жидкости диаметры входного и выходного патрубков камеры смешения должен быть пропорциональны T_m⁻³, а для уменьшения теплопередачи длина трубы должна быть пропорциональна T_m⁻⁸. Это означает, что, для снижения температуры в 2 раза, необходимо увеличить диаметр в 8 раз, а длину — в 256 раз. Следовательно, объём должен быть увеличен в 2¹⁴ = 16 384 раз. Другими словами: каждый см³ при 2 мК требует 16 384 см³ при 1 мК. В результате рефрижератор окажется очень большим и очень дорогим. Для охлаждения до температур ниже 2 мК существует альтернатива: ядерное адиабатическое размагничивание.

См. также

• Адиабатическое размагничивание
• Эффект Померанчука

Ссылки

• Принцип действия рефрижератора растворения (англ.)