Suyultiruvchi sovutgich - Dilution refrigerator

Suyuqlikning fazaviy diagrammasi ³He–⁴U fazalarni ajratilishini ko'rsatadigan aralashmalar.

Namning sxematik diagrammasi ³U /⁴U sovutgichni tashqi vakuumli qalqonsiz suyultiradi. (vektorli grafik)

Standart yoki nam, suyultiriladigan sovutgichning sxematik diagrammasi.

Suyultirilgan sovutgichning past haroratli qismining sxematik diagrammasi.

Namning ichki qismi Oksford asboblari vakuum qutilari olib tashlangan holda geliyni suyultirish uchun sovutgich.

Geliyni suyultirish uchun sovutgich uchun gazni boshqarish tizimi.

Ikki bosqichli oldindan sovitilgan kriyogensiz yoki quruq, suyultiriladigan sovutgichning sxematik diagrammasi impuls trubkasi sovutgichi, nuqta to'rtburchaklar bilan ko'rsatilgan.

A ³U /⁴U muzlatgichni suyultiradi a kriogen 2 darajagacha bo'lgan haroratgacha doimiy sovutishni ta'minlaydigan qurilmamK, past haroratli mintaqada harakatlanuvchi qismlarsiz.^[1] Sovutish quvvati aralashtirish issiqligi ning Geliy-3 va Geliy-4 izotoplar.

Suyultiruvchi sovutgich birinchi tomonidan taklif qilingan Xaynts London 1950-yillarning boshlarida va eksperimental ravishda 1964 yilda Kamerlingh Onnes Laboratorium-da amalga oshirildi Leyden universiteti.^[2]

Amaliyot nazariyasi

Sovutish jarayonida ikkitasi aralashmasi ishlatiladi izotoplar ning geliy: geliy-3 va geliy-4. Taxminan quyida sovutilganda 870 millikelvinlar, aralashma hosil bo'lish uchun o'z-o'zidan faza ajratilishiga uchraydi ³U boy faza (kontsentrlangan faza) va a ³U kambag'al faza (suyultirilgan faza). Faza diagrammasida ko'rsatilgandek, juda past haroratlarda kontsentrlangan faza aslida toza bo'ladi ³U suyultirilgan fazada taxminan 6,6% ni tashkil qiladi. ³U va 93,4% ⁴U. Ishlaydigan suyuqlik ³U, xona haroratida vakuum nasoslari bilan aylanadigan.

The ³U kriyostatga bir necha yuz bosim bilan kiradi millibar. Klassik suyultirish sovutgichida (a nomi bilan tanilgan ho'l suyultirish sovutgichi), the ³U oldindan muolaja qilingan va tozalangan tomonidan suyuq azot 77 K va a ⁴U 4.2 K da yuvinadi. Keyingi, the ³U vakuum kamerasiga kiradi, u erda u tomonidan 1,2-1,5 K haroratgacha ko'proq sovutiladi 1 K hammom, vakuumli nasos ⁴U hammom (geliy rezervuarining bosimi pasayganda uning qaynash temperaturasini pasaytiradi). 1 K hammom suyuqlikni suyuqlashtiradi ³U gazni chiqaradi va olib tashlaydi kondensatsiya issiqligi. The ³Keyin u asosiy impedansga, katta oqim qarshiligiga ega kapillyarga kiradi. Harorat bilan (quyida tavsiflangan) 500-700 mK haroratgacha sovutiladi. Keyinchalik, ³U ikkilamchi impedans va qarshi oqim issiqlik almashinuvchilari to'plamining bir tomoni orqali oqadi, u sovuq oqim bilan soviydi ³U. Nihoyat, toza ³U aralashtirish kamerasiga, qurilmaning eng sovuq joyiga kiradi.

Aralashtirish kamerasida ³He–⁴U aralash, konsentrlangan faza (deyarli 100%) ³U) va suyultirilgan faza (taxminan 6,6%) ³U va 93,4% ⁴U), muvozanatda va fazalar chegarasi bilan ajralib turadi. Kamera ichida ³U kontsentrlangan fazadan faza chegarasi orqali suyultirilgan fazaga oqib tushganda suyultiriladi. Suyultirish uchun zarur bo'lgan issiqlik sovutgichning foydali sovutish quvvatidir, chunki bu harakatlanish jarayoni ³U fazalar chegarasi orqali endotermik va issiqlikni aralashtirish kamerasi muhitidan olib tashlaydi. The ³Keyin u aralashtirish kamerasini suyultirilgan fazada qoldiradi. Suyultirilgan tomonda va hali ham ³U oqadi superfluid ⁴U dam oladigan kishi. The ³U suyultirilgan kanal orqali boshqa har qanday yopishqoq suyuqlik singari bosim gradyani tomonidan boshqariladi.^[3] Yuqoriga ko'tarilayotganda, sovuq, suyultirilgan ³U pastga qarab quyiladigan konsentratsiyani sovitadi ³U issiqlik almashinuvchilari orqali harakatga keladi. Haroratdagi bosim nasoslar tomonidan past (10 Pa atrofida) xona haroratida saqlanadi. Gazlangan bug 'deyarli toza ³Undan ancha yuqori qisman bosimga ega bo'lgan ⁴U 500-700 mK. Haroratni doimiy ravishda ushlab turish uchun issiqlik ta'minlanadi ³U. Nasoslar ³U bir necha yuz millibar bosim ostida uni tsiklni tugatib, uni kriyostatga qaytaradi.

Kriyogensiz suyultirish uchun muzlatgichlar

Zamonaviy suyultiriladigan muzlatgichlar oldindan tozalash mumkin ³U bilan kriyokooler suyuq azot, suyuq geliy va 1 K vannaning o'rniga.^[4] Ushbu "quruq kriyostatlar" da kriyogen suyuqlikning tashqi ta'minoti talab qilinmaydi va ishlash juda avtomatlashtirilishi mumkin. Shu bilan birga, quruq kriyostatlar yuqori energiya talablariga ega va ular tomonidan ishlab chiqarilgan kabi mexanik tebranishlarga duchor bo'ladi impuls trubkasi sovutgichlari. Birinchi eksperimental mashinalar 1990 yillarda ishlab chiqarilgan (tijorat) kriokulyatorlar haroratdan pastroq haroratga erishishga qodir bo'lgan mavjud bo'ldi suyuq geliy va etarli sovutish quvvatiga ega (4,2 K da 1 vatt buyurtma bo'yicha).^[5] Pulse tube sovutgichlari quruq suyultiriladigan muzlatgichlarda keng ishlatiladigan kriyokoolerlar.

Quruq suyultirish uchun muzlatgichlar odatda ikkita dizayndan biriga amal qiladi. Bitta dizaynda dastgohni xona haroratidan impuls kolbasi sovutgichining asosiy haroratigacha (issiqlik almashinadigan gaz yordamida) oldindan sovitish uchun ishlatiladigan ichki vakuum idishi mavjud. Shu bilan birga, har safar sovutgich soviganida, kriyogen haroratda ushlab turadigan vakuum muhrini tayyorlash kerak va tajriba o'tkazgichlari uchun past haroratli vakuumli uzatmalardan foydalanish kerak. Boshqa dizaynni amalga oshirish ancha talabchan bo'lib, oldindan sovutish uchun zarur bo'lgan issiqlik kalitlari talab qilinadi, ammo ichki vakuum kerak bo'lmaydi, bu tajriba o'tkazgichlarining murakkabligini ancha pasaytiradi.

Sovutish quvvati

Aralashtirish kamerasidagi sovutish quvvati (vatt bilan) taxminan tomonidan beriladi

{ displaystyle { nuqta {Q}} _ {m} ; [{ text {W}}] = chap ({ nuqta {n}} _ {3} ; [{ text {mol / s) }}] o'ng) chap (95 (T_ {m} ; [{ text {K}}]) ^ {2} -11 (T_ {i} ; [{ text {K}}]) ^ {2} o'ng)}

qayerda ${ displaystyle { dot {n}} _ {3}}$ bo'ladi ³U molar aylanish tezligi, T_m aralashtirish kamerasining harorati va T_men ning harorati ³U aralashtirish xonasiga kirmoqda.^[6] Qachon faqat foydali sovutish bo'ladi

{ displaystyle T_ {i} <2.8T_ {m}.}

Bu oxirgi issiqlik almashinuvchining maksimal haroratini belgilaydi, shuning uchun barcha sovutish quvvati faqat hodisani sovutish uchun sarflanadi ³U.

Aralash kamerasining ichida toza va suyultirilgan fazalar o'rtasida issiqlik qarshiligi ahamiyatsiz, ${ displaystyle T_ {i} taxminan T_ {m}.}$ va sovutish quvvati kamayadi

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

A past T_m faqatgina agar erishish mumkin bo'lsa T_men past. Suyultirilgan muzlatgichlarda, T_men yuqoridagi past haroratli mintaqaning sxematik diagrammasida ko'rsatilgandek issiqlik almashinuvchilari yordamida kamayadi. Biroq, juda past haroratlarda bu so'zda tufayli tobora qiyinlashib bormoqda Kapitza qarshiligi. Bu geliy suyuqliklari va issiqlik almashinuvchining qattiq tanasi orasidagi sirtdagi issiqlikka qarshilik. Bu bilan teskari proportsionaldir T⁴ va issiqlik almashinadigan sirt maydoni A. Boshqacha qilib aytganda: bir xil issiqlikka chidamlilikni olish uchun, agar harorat 10 baravar kamaysa, sirtni 10000 marta oshirish kerak, past haroratlarda (taxminan 30 mK dan past) past issiqlik qarshiligini olish uchun katta sirt maydon kerak. Harorat qancha past bo'lsa, maydon shunchalik katta bo'ladi. Amalda, juda nozik kumush kukunidan foydalaniladi.

Cheklovlar

Suyultiruvchi muzlatgichlarning asosiy cheklovchi past harorati yo'q. Ammo amaliy sabablarga ko'ra harorat oralig'i taxminan 2 mK bilan cheklangan. Juda past haroratlarda harorat pasaytirilsa, aylanma suyuqlikning yopishqoqligi ham, issiqlik o'tkazuvchanligi ham kattalashadi. Viskoz isitishni kamaytirish uchun aralashtirish kamerasining kirish va chiqish naychalarining diametrlari borishi kerak T⁻³
_m va past issiqlik oqimini olish uchun naychalarning uzunligi quyidagicha bo'lishi kerak T⁻⁸
_m. Bu shuni anglatadiki, haroratni 2 baravar kamaytirish uchun diametrini 8 marta va uzunligini 256 marta ko'paytirish kerak. Demak, hajm 2 baravar ko'paytirilishi kerak.¹⁴ = 16,384. Boshqacha qilib aytganda: har bir sm³ 2 mKda 16,384 sm bo'ladi³ 1 mK da. Mashinalar juda katta va juda qimmatga tushar edi. 2 mK dan past sovutish uchun kuchli alternativa mavjud: yadro demagnetizatsiyasi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

^ Lounasmaa, O.V. (1974). 1 K dan past bo'lgan tajriba printsiplari va usullari. London: Academic Press. p. 316. ISBN 978-0124559509.
^ Das, P .; Ouboter, R. B .; Takonis, K. V. (1965). "London-Klark-Mendoza tipidagi muzlatgichni amalga oshirish". Past harorat fizikasi LT9. p. 1253. doi:10.1007/978-1-4899-6443-4_133. ISBN 978-1-4899-6217-1.
^ de Vael, A.Th.A.M.; Kuerten, JGM (1991). "Ning termodinamikasi va gidrodinamikasi ³He–⁴U aralashmalar ". Brewerda, D. F. (tahrir). 13-tom, past haroratli fizikada taraqqiyot. Elsevier. 167-218 betlar. ISBN 9780080873084.
^ Waele, A. T. A. M. (2011). "Kriyokuolerlar va unga bog'liq bo'lgan issiqlik mashinalarining asosiy ishlashi". Past harorat fizikasi jurnali. 164 (5–6): 179–236. Bibcode:2011JLTP..164..179D. doi:10.1007 / s10909-011-0373-x.
^ Uhlig, K .; Hehn, W. (1997). "³U /⁴U "Gifford-McMahon" muzlatgichi tomonidan oldindan sovitilgan sovutgichni suyultirdi. Kriyogenika. 37 (5): 279. Bibcode:1997 yil Kryo ... 37..279U. doi:10.1016 / S0011-2275 (97) 00026-X.
^ Pobell, Frank (2007). Past haroratlarda materiya va usullar. Berlin: Springer-Verlag. p. 461. ISBN 978-3540463603.

H. E. Xoll, P. J. Ford va K. Tomson (1966). "Geliy-3 suyultirish uchun sovutgich". Kriyogenika. 6 (2): 80–88. Bibcode:1966 yil Kryo .... 6 ... 80H. doi:10.1016/0011-2275(66)90034-8.CS1 maint: mualliflar parametridan foydalanadi (havola)
J. C. Wheatley, O. E. Vilches va W. R. Abel (1968). "Suyultiruvchi sovutishning printsiplari va usullari". Past harorat fizikasi jurnali. 4: 1–64. doi:10.1007 / BF00628435.CS1 maint: mualliflar parametridan foydalanadi (havola)
T. O. Niinikoski (1971). "Sovutish quvvati juda yuqori bo'lgan gorizontal suyultiriladigan sovutgich". Yadro asboblari va usullari. 97 (1): 95–101. Bibcode:1971NucIM..97 ... 95N. doi:10.1016 / 0029-554X (71) 90518-0.CS1 maint: mualliflar parametridan foydalanadi (havola)
G. J. Frossati (1992). "Eksperimental usullar: 300 mK dan past sovutish usullari". Past harorat fizikasi jurnali. 87 (3–4): 595–633. Bibcode:1992JLTP ... 87..595F. CiteSeerX 10.1.1.632.2758. doi:10.1007 / bf00114918.CS1 maint: mualliflar parametridan foydalanadi (havola)

Tashqi havolalar

3He-4He suyultirishni tushuntirish
Lankaster universiteti, Ultra past harorat fizikasi - suyultiriladigan sovutgichning tavsifi.
Garvard universiteti, Markus laboratoriyasi - Avtostopchilar uchun seyreltuvchi sovutgich uchun qo'llanma.

[1] Lounasmaa, O.V. (1974). 1 K dan past bo'lgan tajriba printsiplari va usullari. London: Academic Press. p. 316. ISBN 978-0124559509.

[2] Das, P .; Ouboter, R. B .; Takonis, K. V. (1965). "London-Klark-Mendoza tipidagi muzlatgichni amalga oshirish". Past harorat fizikasi LT9. p. 1253. doi:10.1007/978-1-4899-6443-4_133. ISBN 978-1-4899-6217-1.

[3] Vael, A.Th.A.M.; Kuerten, JGM (1991). "Ning termodinamikasi va gidrodinamikasi ³He–⁴U aralashmalar ". Brewerda, D. F. (tahrir). 13-tom, past haroratli fizikada taraqqiyot. Elsevier. 167-218 betlar. ISBN 9780080873084.

[4] Waele, A. T. A. M. (2011). "Kriyokuolerlar va unga bog'liq bo'lgan issiqlik mashinalarining asosiy ishlashi". Past harorat fizikasi jurnali. 164 (5–6): 179–236. Bibcode:2011JLTP..164..179D. doi:10.1007 / s10909-011-0373-x.

[5] Uhlig, K .; Hehn, W. (1997). "³U /⁴U "Gifford-McMahon" muzlatgichi tomonidan oldindan sovitilgan sovutgichni suyultirdi. Kriyogenika. 37 (5): 279. Bibcode:1997 yil Kryo ... 37..279U. doi:10.1016 / S0011-2275 (97) 00026-X.

[pobell-6] Pobell, Frank (2007). Past haroratlarda materiya va usullar. Berlin: Springer-Verlag. p. 461. ISBN 978-3540463603.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]