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. 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 подсоединен 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:

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

где ${\dot {n}}_{3}$ - скорость циркуляции ³He, T_m — температура в смесительной камере, и T_i — 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 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.[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 её вязкость и теплопроводность. Для уменьшения теплоты внутреннего трения в вязкой жидкости диаметры входного и выходного патрубков камеры смешения должен быть T_m⁻³, а для уменьшения теплопередачи длина трубы должна быть 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=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

Примечания

Pobell, Frank. Matter and Methods at Low Temperatures. // Berlin: Springer-Verlag.. — 2007. — С. 461.
О компании Leiden Cryogenics (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 9 декабря 2014. Архивировано 20 декабря 2014 года.
О компании Leiden Cryogenics (на русском) (неопр.).

Ссылки

Принцип действия рефрижератора растворения (англ.)

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[1] Pobell, Frank. Matter and Methods at Low Temperatures. // Berlin: Springer-Verlag.. — 2007. — С. 461.

[2] О компании Leiden Cryogenics (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 9 декабря 2014. Архивировано 20 декабря 2014 года.

[3] О компании Leiden Cryogenics (на русском) (неопр.).