Upplösning Kylskåp

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 12 februari 2020; kontroller kräver 2 redigeringar .

Utspädningskylskåpet är en kryogen anordning som skapats av Heinz London . Kylningsprocessen använder en blandning av två heliumisotoper : 3 He och 4 He . När den kyls under 700 mK upplever blandningen spontan fasseparation och bildar faser: rik på 3 He och rik på 4 He.

Liksom vid evaporativ kylning kräver överföringen av 3 He-atomer från den 3 He-rika fasen till den 4 He-rika fasen energi. Om de 3 He -atomerna tvingas att kontinuerligt passera fasgränsen, kommer blandningen att kylas effektivt. Eftersom den 4 He-rika fasen inte kan innehålla mindre än 6 % 3He , även vid absolut nolltemperatur vid jämvikt, kan utspädningskylskåpet vara effektivt vid mycket låga temperaturer. Behållaren där denna process äger rum kallas blandningskammaren .

Den enklaste applikationen är ett "engångs" utspädningskylskåp. I engångsläget rör sig en stor volym av 3 He gradvis över fasgränsen till en fas rik på 4 He. När hela utbudet av 3 He är i den 4 He rika fasen, kan kylskåpet inte fortsätta att fungera.

Mycket oftare fungerar utspädningskylskåp i en kontinuerlig cykel. 3 He / 4 He-blandningen kondenseras i en kondensor , som är ansluten via en strypning till området i blandningskammaren som är rik på 3 He. De 3 He- atomerna som passerar genom fasgränsen tar energi från systemet. Vidare bör man skilja mellan utspädningskylskåp med extern och intern pumpning. I det första fallet pumpas 3 He-ångor ut av en högvakuumpump ( turbomolekylär eller diffusion ). I den andra - en sorptionspump. Utspädningskylskåp med extern pumpning ger mer kylkapacitet, men kräver mer 3 He. Den utpumpade 3 He, ibland renad, återförs till kondensorn .

Kontinuerliga utspädningskylskåp används ofta i fysikexperiment med låg temperatur.

Kylkapacitet

Kyleffekten (i watt ) i blandningskammaren kan beräknas ungefär med följande formel:

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

där är 3He -cirkulationshastigheten , Tm är temperaturen i blandningskammaren och Ti är temperaturen för 3He som kommer in i blandningskammaren. [1] Om värmebelastningen är noll finns det ett fast förhållande mellan de två temperaturerna: ${\dot {n}}_{3}$

$T_{m}={\frac {T_{i}}{2.8}}.$

Av detta samband kan man se att en låg T m endast kan uppnås om Ti också är liten. I utspädningskylskåpet reduceras det senare med hjälp av värmeväxlare. Men vid mycket låga temperaturer blir detta ganska svårt på grund av det så kallade Kapitsa-draget . Detta är det termiska motståndet vid gränsytan mellan flytande helium och värmeväxlarens yta. Den är omvänt proportionell mot T 4 och värmeväxlingsytan A . Med andra ord: det termiska motståndet när ytan ökas med en faktor 10 000 förblir densamma om temperaturen sänks med en faktor 10. För att erhålla ett lågt termiskt motstånd vid låga temperaturer (under 30 mK) krävs således en mycket stor yta på värmeväxlaren. I praktiken används mycket finfördelat silverpulver för detta ändamål. Detta föreslogs första gången av professor J. Frossati 1970. [2] Företaget som han grundade är nu en ledande tillverkare av utspädningskylskåp och andra avancerade kylprodukter. [3]

Begränsningar

Det finns ingen grundläggande begränsning för den lägsta temperatur som kan uppnås i utspädningskylskåp. Temperaturområdet är dock begränsat till cirka 2 mK av praktiska skäl: ju lägre temperatur den cirkulerande vätskan har, desto högre är dess viskositet och värmeledningsförmåga . För att minska värmen från inre friktion i en viskös vätska, bör diametrarna på blandningskammarens inlopps- och utloppsmunstycken vara T m −3 , och för att minska värmeöverföringen bör rörlängden vara T m −8 . Detta innebär att för att minska temperaturen med 2 gånger är det nödvändigt att öka diametern med 8 gånger och längden med 256 gånger. Därför måste volymen ökas med 2 14 =16384 gånger. Med andra ord: varje cm 3 vid 2 mK kräver 16,384 liter per 1 mK. Som ett resultat kommer kylskåpet att bli mycket stort och mycket dyrt. För kylning till temperaturer under 2mK finns det ett alternativ: nukleär adiabatisk avmagnetisering .

Se även

Anteckningar

↑ Pobell, Frank. Materia och metoder vid låga temperaturer. // Berlin: Springer-Verlag.. - 2007. - S. 461 .
↑ Om Leiden Cryogenics (otillgänglig länk) . Hämtad 9 december 2014. Arkiverad från originalet 20 december 2014. (obestämd)
↑ Om Leiden Cryogenics (på ryska) . Datum för åtkomst: 9 december 2014. Arkiverad från originalet 14 december 2014. (obestämd)

Länkar

Principen för driften av utspädningskylskåpet