Криогендік салқындату құрылымы: 3He/4He айырылымдық тоңазытқышы

Кіріспе

Өте төмен температураға дейін салқындатуға арналған криогендік құрылғы

3He/4He сұйыту тоңазытқышы – төмен температуралық аймақта қозғалатын бөліктері жоқ, үздіксіз салқындатуды 2 мК дейін қамтамасыз ететін криогендік құрылғы. Салқындату қуаты гелий-3 және гелий-4 изотоптарының араласуының жылуымен қамтамасыз етіледі. Сұйыту тоңазытқышын алғаш рет 1950 жылдардың басында Хайнц Лондон ұсынған, ал 1964 жылы Лейден университетінің Камерлинг Оннес зертханасында тәжірибелік түрде іске асырылған. Сұйыту салқындату саласын Zu және авторлар қарастырады.

Жұмыс істеу теориясы

Салқындату процесінде гелийдің екі изотопының қоспасы қолданылады: гелий-3 және гелий-4. Қоспа шамамен 870 милликельвинге дейін салқындатылғанда, 3He-ге бай фазаны (концентрацияланған фаза) және 3He-ге кедей фазаны (сұйылтылған фаза) қалыптастыру үшін спонтанды фазалық бөлінуге ұшырайды. Фазалық диаграммада көрсетілгендей, өте төмен температурада концентрацияланған фаза негізінен таза 3He, ал сұйылтылған фазада шамамен 6,6% 3He және 93,4% 4He құрамында болады. Жұмыс сұйықтығы – 3He, ол бөлме температурасында вакуумдық сорғылармен айналымға келтіріледі. 3He бірнеше жүз миллибар қысыммен криостатқа енгізіледі. Классикалық сұйыту тоңазытқышында (жасыл сұйыту тоңазытқышы деп те аталады) 3He, 77 К температурасындағы сұйық азот және 4,2 К температурасындағы 4He ваннасы арқылы алдын ала салқындатылып, тазартылады. Содан кейін 3He вакуумдық камераға кіреді, онда ол 1 К ваннасы арқылы 1,2–1,5 К температураға дейін салқындатылады, вакууммен сорғыланған 4He ваннасы (гелий резервуарының қысымын төмендету оның қайнау температурасын төмендетеді). 1 К ванна 3He газын сұйылтып, конденсацияның жылуын шығарып тастайды. Содан кейін 3He негізгі кедергіге – үлкен ағынға қарсылық көрсететін капиллярға кіреді. Ол 500–700 мК температураға дейін (төменде сипатталған) салқындатылады. Кейіннен 3He екінші кедергі арқылы және қарсы ағынды жылу алмастырғыштар жиынтығының бір жағынан өтеді, онда ол 3He-нің суық ағысымен салқындатылады. Соңында таза 3He араласу камерасына – құрылғының ең суық бөлігіне енеді. Араласу камерасында 3He–4He қоспасының екі фазасы – концентрацияланған фаза (іс жүзінде 100% 3He) және сұйылтылған фаза (шамамен 6,6% 3He және 93,4% 4He) тепе-теңдікте болады және фазалық шекарамен бөлінеді. Камера ішінде 3He концентрацияланған фазадан фазалық шекара арқылы сұйылтылған фазаға ағып өткенде сұйылтылады. Сұйылтуға қажетті жылу тоңазытқыштың пайдалы салқындату қуаты болып табылады, себебі 3He-ні фазалық шекара арқылы жылжыту процесі эндотермиялық болып келеді және араласу камерасының ортасынан жылуды шығарып алады. 3He араласу камерасынан сұйылтылған фазада шығады. Сұйылтылған жағында және тұрақтандырғышта 3He, қозғалмайтын 4He суперсұйықтығы арқылы ағып өтеді. 3He, басқа да тұтқыр сұйықтықтар сияқты, қысым градиентінің әсерімен сұйылтылған арна арқылы жылжытылады. Жоғары қарай жылжығанда, суық, сұйылтылған 3He, төмен қарай ағып жатқан концентрацияланған 3He-ні жылу алмастырғыштар арқылы салқындатады және тұрақтандырғышқа кіреді. Тұрақтандырғыштағы қысым бөлме температурасындағы сорғылармен төмен (шамамен 10 Па) деңгейде ұсталады. Тұрақтандырғыштағы бу іс жүзінде таза 3He, оның 500–700 мК температурада 4He-ге қарағанда әлдеқайда жоғары парциалдық қысымы бар. 3He-нің тұрақты ағынын сақтау үшін тұрақтандырғышқа жылу беріледі. Сорғылар 3He-ні бірнеше жүз миллибар қысымға дейін қысып, оны криостатқа қайта жіберіп, циклды аяқтайды.

The refrigeration process uses a mixture of two isotopes of helium: helium 3 and helium 4. When cooled below approximately 870 millikelvins, the mixture undergoes spontaneous phase separation to form a 3He rich phase (the concentrated phase) and a 3He poor phase (the dilute phase). As shown in the phase diagram, at very low temperatures the concentrated phase is essentially pure 3He, while the dilute phase contains about 6.6% 3He and 93.4% 4He. The working fluid is 3He, which is circulated by vacuum pumps at room temperature. The 3He enters the cryostat at a pressure of a few hundred millibar. In the classic dilution refrigerator (known as a wet dilution refrigerator), the 3He is precooled and purified by liquid nitrogen at 77 K and a 4He bath at 4.2 K. Next, the 3He enters a vacuum chamber where it is further cooled to a temperature of 1.2–1.5 K by the 1 K bath, a vacuum pumped 4He bath (as decreasing the pressure of the helium reservoir depresses its boiling point). The 1 K bath liquefies the 3He gas and removes the heat of condensation. The 3He then enters the main impedance, a capillary with a large flow resistance. It is cooled by the still (described below) to a temperature 500–700 mK. Subsequently, the 3He flows through a secondary impedance and one side of a set of counterflow heat exchangers where it is cooled by a cold flow of 3He. Finally, the pure 3He enters the mixing chamber, the coldest area of the device. In the mixing chamber, two phases of the 3He–4He mixture, the concentrated phase (practically 100% 3He) and the dilute phase (about 6.6% 3He and 93.4% 4He), are in equilibrium and separated by a phase boundary. Inside the chamber, the 3He is diluted as it flows from the concentrated phase through the phase boundary into the dilute phase. The heat necessary for the dilution is the useful cooling power of the refrigerator, as the process of moving the 3He through the phase boundary is endothermic and removes heat from the mixing chamber environment. The 3He then leaves the mixing chamber in the dilute phase. On the dilute side and in the still the 3He flows through superfluid 4He which is at rest. The 3He is driven through the dilute channel by a pressure gradient just like any other viscous fluid. On its way up, the cold, dilute 3He cools the downward flowing concentrated 3He via the heat exchangers and enters the still. The pressure in the still is kept low (about 10 Pa) by the pumps at room temperature. The vapor in the still is practically pure 3He, which has a much higher partial pressure than 4He at 500–700 mK. Heat is supplied to the still to maintain a steady flow of 3He. The pumps compress the 3He to a pressure of a few hundred millibar and feed it back into the cryostat, completing the cycle.

Криогенсіз сұйыту тоңазытқыштары

Қазіргі заманғы сұйытылған тоңазытқыштар сұйық азот, сұйық гелий және 1 К ваннаның орнына криосалқындатқышпен 3He-ді алдын ала салқындата алады. Бұл "құрғақ криостаттарда" криогенді сұйықтықтарды сырттан жеткізу қажет емес және жұмыс жоғары деңгейде автоматтандырылуы мүмкін. Алайда, құрғақ криостаттардың энергия талаптары жоғары және олар импульстік түтікшелік тоңазытқыштар сияқты механикалық дірілдерге ұшырайды. Алғашқы тәжірибелік машиналар 1990 жылдары, (коммерциялық) криосалқындатқыштар қолжетімді болған кезде жасалды, олар сұйық гелий температурасынан төмен температураға жете алады және жеткілікті салқындату қуатына ие (4.2 К-та 1 Ватт шамасында). Импульстік түтікшелік салқындатқыштар құрғақ сұйытылған тоңазытқыштарда кеңінен қолданылатын криосалқындатқыштар болып табылады. Құрғақ сұйытылған тоңазытқыштар әдетте екі конструкцияның бірін қолданады. Бір конструкцияда ішкі вакуумдік банка бар, ол машинаны бөлме температурасынан импульстік түтікше салқындатқышының ең төмен температурасына дейін алдын ала салқындату үшін пайдаланылады (жылу алмасу газын қолдана отырып). Алайда, тоңазытқыш әр салқындатылған сайын, криогендік температурада герметикалық жабысқан вакуумдық тығыз жасалуы керек, ал тәжірибелік сымдарды қосу үшін төмен температурадағы вакуумдық өткізгіштер қолданылуы тиіс. Екінші конструкцияны жүзеге асыру қиын, себебі ол алдын ала салқындату үшін қажетті жылу коммутаторларын қажет етеді, бірақ ішкі вакуумдік банка қажет емес, бұл тәжірибелік сымдардың күрделілігін едәуір азайтады.

Шектеулер

Суату тоңазытқыштарының ең төмен температурасының негізгі шегі жоқ. Бірақ, практикалық себептерге байланысты температура диапазоны шамамен 2 мК-қа дейін ғана шектеледі. Өте төмен температурада температура төмендеген сайын айналмалы сұйықтықтың тұтқырлығы мен жылу өткізгіштігі арта түседі. Жылудың ысынуын азайту үшін араластыру камерасының кіріс және шығыс түтікшелерінің диаметрі температураға (T) пропорционалды болуы керек, ал жылу ағынын азайту үшін түтікшелердің ұзындығы да температураға (T) пропорционалды болуы тиіс. Яғни, температураны екі есеге төмендету үшін диаметрді сегіз есеге, ал ұзындықты 256 есеге арттыру қажет. Осылайша, көлемді 214 есеге, яғни 16 384 есеге ұлғайту керек. Басқаша айтқанда, 2 мК-дағы 1 см³ көлем 1 мК-да 16 384 см³ көлемге дейін жетеді. Бұл машиналарды өте үлкен және қымбат етеді. 2 мК-тан төмен температураға дейін салқындатудың тиімді альтернативасы бар – ядролық демагнетизация.