Fortynding køleskab

A Han / Han fortynding køleskabet er en kryogen enhed, der giver kontinuerlig køling til temperaturer så lave som 2 mK, med ingen bevægelige dele i lav temperatur region. Køleeffekten leveres af varmen fra blandingen af ​​Helium-3 og helium-4 isotoper. Det er den eneste kontinuerlige køle metode til at indgå temperaturer under 0,3 K.

Fortyndingen køleskab blev først foreslået af Heinz London i begyndelsen af ​​1950'erne, og blev eksperimentelt realiseret i 1964 i Kamerlingh Onnes Laboratorium ved Leiden Universitet.

Teori om drift

Køleprocessen anvender en blanding af to isotoper af helium: helium-3 og helium-4. Ved afkøling under ca. 870 millikelvin undergår blandingen spontane faseseparation til dannelse af en He-rig fase og en han-fattig fase. Som vist i fasediagrammet, ved meget lave temperaturer den koncentrerede fase er i det væsentlige rent Han, mens den fortyndede fase indeholder ca. 6,6% og 93,4 Han% He. Arbejdsfluidet er han, som cirkuleres ved vakuumpumper ved stuetemperatur.

Den han træder ind i kryostat ved et tryk på et par hundrede millibar. I den klassiske fortynding køleskabet, er han forafkølet og oprenset ved hjælp af flydende nitrogen ved 77 K og en han bad ved 4,2 K. Dernæst Han træder et vakuumkammer, hvor den afkøles yderligere til en temperatur på 1,2-1,5 K af " 1 K bad ", en pumpet Han bad. Den 1 K bad smelter He gas og fjerner varmen fra kondens. Den Han indtaster derefter den vigtigste impedans, en kapillær med en stor strømningsmodstand. Den afkøles af endnu en temperatur 500-700 mK. Efterfølgende Han strømmer gennem en sekundær impedans og den ene side af et sæt modstrømsvekslere hvor den afkøles af en kold strøm af He. Endelig den rene Han kommer ind i blandekammeret, den koldeste område af indretningen.

I blandekammeret, to faser i Han-Han blandingen, den koncentrerede fase og den fortyndede fase er i ligevægt, og adskilt af en fasegrænse. Inde i kammeret bliver han fortyndes, når den strømmer fra den koncentrerede fase gennem fasegrænsen i den fortyndede fase. Den nødvendige varme til fortyndingen er nyttigt køleeffekt af køleskabet, som processen med at flytte Han ved fasegrænsen er endoterm og fjerner varme fra blandekammeret miljøet. Den Han forlader derefter blandekammeret i den fortyndede fase. På sin vej op, den kolde, fortyndede Han køler nedad strømmende han via varmevekslerne, indtil den når stadig. I den stille, den Han løber gennem superflydende Han som er i hvile. Trykket i stadig holdes lavt ved pumperne ved stuetemperatur. Dampen i stadig er næsten ren Han, som har en meget højere partialtryk end han ved 500-700 mK. Pumpen skaber derfor et osmotisk trykforskel, der driver mere han fra den koncentrerede at fortynde faser i blandekammeret, og derefter op fra blandekammeret til stadig. Varme tilføres til fortsat at opretholde en konstant strøm af He. Pumperne komprimere han til et tryk på et par hundrede millibar og fører den tilbage i kryostaten, færdiggøre cyklussen.

Kryogen-fri fortynding køleskabe

Moderne fortynding køleskabe kan forkøling af han med et cryocooler i stedet for flydende nitrogen, flydende helium, og en 1 K bad. Der er ikke brug ekstern forsyning af kryogene væsker i disse "tørre kryostater", og operation kan være meget automatiseres. Men tør kryostater har krav høje energipriser og er underlagt mekaniske vibrationer, såsom dem der produceres af puls rør køleskabe. De første eksperimentelle maskiner blev bygget i 1990'erne, da kryokølere blev tilgængelige, i stand til at nå frem til en lavere temperatur end den flydende helium, og som har tilstrækkelig køling magt. Pulse rør kølere er almindeligt anvendt kryokølere i tørre fortynding køleskabe.

Tørre fortynding køleskabe generelt følge en af ​​to designs. Et design omfatter en indre tomrum kan, som anvendes til indledningsvis forkøling maskinen fra stuetemperatur ned til bunden temperatur impulsrør køligere. Hver gang køleskabet afkøles, et vakuum forsegling, der holder ved kryogene temperaturer skal dog gøres, og lav temperatur vakuum gennemføringer skal anvendes til den eksperimentelle ledninger. Den anden design er mere krævende at indse, der kræver varme switche som er nødvendige for forkøling, men ingen indre vakuum kan er nødvendig, hvilket reducerer kompleksiteten af ​​den eksperimentelle ledninger. Sidstnævnte type anvendes til SCUBA-2 sub-millimeter kamera på James Clerk Maxwell Telescope.

Køleeffekt

Køleeffekten på blandekammeret omtrent givet ved

hvor er han molære cirkulationshastigheden, Tm er den temperatur blanding kammer, og Ti temperatur Han kommer ind i blandekammeret. I tilfælde af nul varmebelastning, der er et fast forhold mellem de to temperaturer

Fra denne relation er det klart, at en lav Tm kun kan nås, hvis Ti er lav. I fortynding køleskabe Ti reduceres ved hjælp af varmevekslere, som vist i det skematiske diagram i lav temperatur området over. Men ved meget lave temperaturer det bliver mere og mere vanskelig på grund af den såkaldte Kapitza resistens. Dette er en varmebestandighed på overfladen mellem helium væsker og det faste legeme af varmeveksleren. Det er omvendt proportional med T og varmevekslende overfladeareal A. Med andre ord: at få den samme varmebestandighed man nødt til at forøge overfladearealet med en faktor 10.000 hvis temperaturen går ned med en faktor 10. For at få en lav termisk modstand ved lave temperaturer et stort overfladeareal er nødvendig. Jo lavere temperaturen er, jo større området. I praksis benytter man meget fine sølv pulver.

Begrænsninger

Der er ingen grundlæggende begrænsning lave temperatur fortynding køleskab. Endnu temperaturområdet er begrænset til ca. 2 mK af praktiske grunde. Ved meget lave temperaturer både viskositet og den termiske ledningsevne af det cirkulerende fluid bliver større, hvis temperaturen sænkes. For at reducere tyktflydende opvarmning af diametre indløbs- og ud- rør af blandekammeret skal gå som Tm og for at få lav varme flow længderne af rørene skal gå som Tm. Det betyder, at for at reducere temperaturen med en faktor 2, er man nødt til at øge diameteren med en faktor 8 og længden med en faktor 256. Derfor lydstyrken skal øges med en faktor 2 = 16384. Med andre ord: hver cm ved 2 mK ville blive 16,384 liter ved 1 mK. Maskinerne bliver meget store og meget dyre. Der er et stærkt alternativ til køling under 2 mK: nukleare demagnetization.

  0   0
Næste artikel Citroën DS3

Kommentarer - 0

Ingen kommentar

Tilføj en kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tegn tilbage: 3000
captcha