Криогенные холодильники разбавления 3He/4He: охлаждение до 2 мК без движущихся частей. Принцип работы, история создания и применение в научных исследованиях.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Криогенное устройство для охлаждения до очень низких температур
Cryogenic device for cooling to very low temperatures
Растворительный холодильник 3He/4He – это криогенное устройство, обеспечивающее непрерывное охлаждение до температур порядка 2 мК, без движущихся частей в зоне низких температур. Охлаждающая способность достигается за счет тепла смешения изотопов гелия-3 и гелия-4. Растворительный холодильник был впервые предложен Хайнцем Лондоном в начале 1950-х годов и экспериментально реализован в 1964 году в лаборатории Камерлинга Оннеса при Лейденском университете. Обзор области разбавленного охлаждения представлен в работе Zu et al.
A 3He/4He dilution refrigerator is a cryogenic device that provides continuous cooling to temperatures as low as 2 mK, with no moving parts in the low temperature region. The cooling power is provided by the heat of mixing of the helium 3 and helium 4 isotopes. The dilution refrigerator was first proposed by Heinz London in the early 1950s, and was experimentally realized in 1964 in the Kamerlingh Onnes Laboratorium at Leiden University. The field of dilution refrigeration is reviewed by Zu et al.
Теория действия
В процессе охлаждения используется смесь двух изотопов гелия: гелия-3 и гелия-4. При охлаждении ниже приблизительно 870 милликельвинов смесь подвергается спонтанному фазовому разделению, образуя фазу, богатую <sup>3</sup>He (концентрированную фазу), и фазу, бедную <sup>3</sup>He (разбавленную фазу). Как показано на фазовой диаграмме, при очень низких температурах концентрированная фаза по существу состоит из чистого <sup>3</sup>He, в то время как разбавленная фаза содержит около 6,6% <sup>3</sup>He и 93,4% <sup>4</sup>He. Рабочей жидкостью является <sup>3</sup>He, которая циркулирует с помощью вакуумных насосов при комнатной температуре. <sup>3</sup>He поступает в криостат при давлении в несколько сотен миллибар. В классическом холодильнике с разбавлением (известном как "мокрый" холодильник с разбавлением) <sup>3</sup>He предварительно охлаждается и очищается жидким азотом при 77 K и ванной из <sup>4</sup>He при 4,2 K. Затем <sup>3</sup>He попадает в вакуумную камеру, где он дополнительно охлаждается до температуры 1,2–1,5 K ванной при 1 K, вакуумной ванной из <sup>4</sup>He (поскольку снижение давления резервуара с гелием понижает его температуру кипения). Ванна при 1 K сжижает газ <sup>3</sup>He и отводит тепло конденсации. Затем <sup>3</sup>He поступает в основной импеданс – капилляр с большим сопротивлением потоку. Он охлаждается в ректификаторе (описанном ниже) до температуры 500–700 мК. После этого <sup>3</sup>He проходит через вторичный импеданс и одну сторону набора противоточных теплообменников, где он охлаждается холодным потоком <sup>3</sup>He. Наконец, чистый <sup>3</sup>He поступает в смесительную камеру – самую холодную область устройства. В смесительной камере две фазы смеси <sup>3</sup>He–<sup>4</sup>He, концентрированная фаза (практически 100% <sup>3</sup>He) и разбавленная фаза (около 6,6% <sup>3</sup>He и 93,4% <sup>4</sup>He), находятся в равновесии и разделены границей фаз. Внутри камеры <sup>3</sup>He разбавляется, перетекая из концентрированной фазы через границу фаз в разбавленную фазу. Тепло, необходимое для разбавления, является полезной холодильной мощностью, поскольку процесс перемещения <sup>3</sup>He через границу фаз является эндотермическим и отводит тепло из среды смесительной камеры. Затем <sup>3</sup>He покидает смесительную камеру в разбавленной фазе. На разбавленной стороне и в ректификаторе <sup>3</sup>He протекает через сверхтекучий <sup>4</sup>He, находящийся в состоянии покоя. <sup>3</sup>He движется по разбавленному каналу под действием градиента давления, как и любая другая вязкая жидкость. На своем пути вверх холодный разбавленный <sup>3</sup>He охлаждает нисходящий поток концентрированного <sup>3</sup>He через теплообменники и поступает в ректификатор. Давление в ректификаторе поддерживается низким (около 10 Па) насосами при комнатной температуре. Пар в ректификаторе практически чистый <sup>3</sup>He, который имеет гораздо более высокое парциальное давление, чем <sup>4</sup>He при 500–700 мК. В ректификатор подается тепло для поддержания устойчивого потока <sup>3</sup>He. Насосы сжимают <sup>3</sup>He до давления в несколько сотен миллибар и возвращают его в криостат, завершая цикл.
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.
холодильники для разбавления без криогена
Современные холодильники с разбавлением могут предварительно охлаждать 3He с помощью криокулера вместо жидкого азота, жидкого гелия и 1 K-ванны. В этих "сухих криостатах" не требуется внешняя подача криогенных жидкостей, а эксплуатация может быть высоко автоматизирована. Однако сухие криостаты потребляют много энергии и подвержены механическим вибрациям, например, создаваемым импульсными трубчатыми холодильниками. Первые экспериментальные установки были созданы в 1990-х годах, когда появились (коммерческие) криокулеры, способные достигать температуры ниже температуры жидкого гелия и обладающие достаточной охлаждающей способностью (порядка 1 Вт при 4,2 К). Импульсные трубчатые охладители обычно используются в качестве криокулеров в сухих холодильниках разбавления. Сухие холодильники разбавления обычно имеют одну из двух конструкций. В одной конструкции используется внутренняя вакуумная колба для первоначального предварительного охлаждения установки от комнатной температуры до базовой температуры импульсного трубчатого охладителя (с использованием теплообменного газа). Однако при каждом охлаждении холодильника необходимо создавать вакуумное уплотнение, обеспечивающее герметичность при криогенных температурах, и использовать низкотемпературные вакуумные ввода для экспериментальной проводки. Другая конструкция более сложна в реализации, требуя тепловых переключателей, необходимых для предварительного охлаждения, но не требуя внутренней вакуумной колбы, что значительно упрощает экспериментальную проводку.
Modern dilution refrigerators can precool the 3He with a cryocooler in place of liquid nitrogen, liquid helium, and a 1 K bath. No external supply of cryogenic liquids is needed in these "dry cryostats" and operation can be highly automated. However, dry cryostats have high energy requirements and are subject to mechanical vibrations, such as those produced by pulse tube refrigerators. The first experimental machines were built in the 1990s, when (commercial) cryocoolers became available, capable of reaching a temperature lower than that of liquid helium and having sufficient cooling power (on the order of 1 Watt at 4.2 K). Pulse tube coolers are commonly used cryocoolers in dry dilution refrigerators. Dry dilution refrigerators generally follow one of two designs. One design incorporates an inner vacuum can, which is used to initially precool the machine from room temperature down to the base temperature of the pulse tube cooler (using heat exchange gas). However, every time the refrigerator is cooled down, a vacuum seal that holds at cryogenic temperatures needs to be made, and low temperature vacuum feed throughs must be used for the experimental wiring. The other design is more demanding to realize, requiring heat switches that are necessary for precooling, but no inner vacuum can is needed, greatly reducing the complexity of the experimental wiring.
Ограничения
Нет фундаментальных ограничений на достижимую низкую температуру в разбавленных холодильниках. Однако, диапазон температур ограничен примерно 2 мК по практическим соображениям. При очень низких температурах как вязкость, так и теплопроводность циркулирующей жидкости возрастают с понижением температуры. Чтобы уменьшить вязкое нагревание, диаметры входной и выходной трубок смесительной камеры должны зависеть от температуры как T, а для обеспечения низкого теплового потока длины трубок должны зависеть от температуры как T. Это означает, что для снижения температуры в два раза необходимо увеличить диаметр в 8 раз, а длину – в 256 раз. Следовательно, объем должен быть увеличен в 214 раз, то есть в 16 384 раза. Иными словами, каждый кубический сантиметр при 2 мК превратится в 16 384 кубических сантиметра при 1 мК. Это привело бы к созданию очень больших и очень дорогих машин. Мощной альтернативой для охлаждения ниже 2 мК является ядерная демагнетизация.
There is no fundamental limiting low temperature of dilution refrigerators. Yet the temperature range is limited to about 2 mK for practical reasons. At very low temperatures both the viscosity and the thermal conductivity of the circulating fluid become larger if the temperature is lowered. To reduce the viscous heating the diameters of the inlet and outlet tubes of the mixing chamber must go as T and to get low heat flow the lengths of the tubes should go as T. That means that, to reduce the temperature by a factor 2, one needs to increase the diameter by a factor 8 and the length by a factor 256. Hence the volume should be increased by a factor 214 = 16,384. In other words: every cm3 at 2 mK would become 16,384 cm3 at 1 mK. The machines would become very big and very expensive. There is a powerful alternative for cooling below 2 mK: nuclear demagnetization.