Frigider de dizolvare

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 12 februarie 2020; verificările necesită 2 modificări .

Frigiderul cu diluție este un dispozitiv criogenic inițiat de Heinz London . Procesul de răcire folosește un amestec de doi izotopi de heliu : 3 He și 4 He . Când este răcit sub 700 mK, amestecul suferă o separare spontană a fazelor , formând faze: bogat în 3 He și bogat în 4 He.

Ca și în cazul răcirii prin evaporare, transferul atomilor de 3 He din faza bogată în 3 He în faza bogată în 4 He necesită energie. Dacă cei 3 atomi de He sunt forțați să treacă continuu granița de fază, amestecul va fi răcit eficient. Deoarece faza bogată în 4 He nu poate conține mai puțin de 6% 3 He, chiar și la temperatura zero absolut la echilibru, frigiderul de diluție poate fi eficient la temperaturi foarte scăzute. Recipientul în care are loc acest proces se numește cameră de amestecare .

Cea mai simplă aplicare este un frigider cu diluție „de unică folosință”. În modul one-shot, un volum mare de 3 He trece treptat peste granița fazei într-o fază bogată în 4 He. Când întreaga cantitate de 3 He se află în faza bogată în 4 He, frigiderul nu poate continua să funcționeze.

Mult mai des, frigiderele cu diluție funcționează într-un ciclu continuu. Amestecul de 3 He/ 4 He este lichefiat într- un condensator , care este conectat printr-un sufocare la zona camerei de amestecare bogată în 3 He. Cei 3 atomi de He care trec prin limita de fază preiau energie din sistem. În plus, ar trebui să se facă distincția între frigiderele cu diluție cu pompare externă și internă. În primul caz, vaporii de 3 He sunt pompați de o pompă de vid înalt ( turbomoleculară sau difuzie ). În al doilea - o pompă de sorbție. Frigiderele cu diluție cu pompare externă asigură o capacitate de răcire mai mare, dar necesită mai mult 3 He. 3 El pompat , uneori purificat, este returnat în condensator .

Frigiderele cu diluție cu ciclu continuu sunt utilizate în mod obișnuit în experimentele de fizică la temperaturi scăzute.

Capacitate de răcire

Puterea de răcire (în wați ) în camera de amestec poate fi calculată aproximativ folosind următoarea formulă:

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

unde este viteza de circulație 3 He , T m este temperatura din camera de amestec și Ti este temperatura 3 He care intră în camera de amestec. [1] În cazul în care sarcina termică este zero, există o relație fixă între cele două temperaturi: ${\dot {n}}_{3}$

$T_{m}={\frac {T_{i}}{2,8}}.$

Din această relație se poate observa că un T m scăzut poate fi atins numai dacă T i este de asemenea mic. În frigiderul cu diluție, acesta din urmă este redus prin intermediul schimbătoarelor de căldură. Cu toate acestea, la temperaturi foarte scăzute, acest lucru devine destul de dificil din cauza așa-numitei rezistențe Kapitsa . Aceasta este rezistența termică la interfața dintre heliul lichid și suprafața schimbătorului de căldură. Este invers proporțională cu T 4 și aria suprafeței de schimb de căldură A . Cu alte cuvinte: rezistența termică atunci când suprafața este mărită cu un factor de 10.000 rămâne aceeași dacă temperatura este redusă cu un factor de 10. Astfel, pentru a obține o rezistență termică scăzută la temperaturi scăzute (sub 30 mK), este necesară o suprafață foarte mare a schimbătorului de căldură. În practică, în acest scop se folosește pulbere de argint foarte fin dispersată. Aceasta a fost propusă pentru prima dată de profesorul J. Frossati în 1970. [2] Compania pe care a fondat-o este acum un producător de frunte de frigidere cu diluție și alte produse frigorifice de ultimă generație. [3]

Restricții

Nu există nicio limitare fundamentală cu privire la temperatura minimă atinsă în frigiderele cu diluție. Cu toate acestea, intervalul de temperatură este limitat la aproximativ 2 mK din motive practice: cu cât temperatura fluidului circulant este mai scăzută, cu atât vascozitatea și conductibilitatea termică a acestuia sunt mai mari . Pentru a reduce căldura frecării interne într-un lichid vâscos, diametrele duzelor de intrare și ieșire ale camerei de amestec trebuie să fie T m -3 , iar pentru a reduce transferul de căldură, lungimea conductei ar trebui să fie T m -8 . Aceasta înseamnă că, pentru a reduce temperatura de 2 ori, este necesară creșterea diametrului de 8 ori și a lungimii de 256 de ori. Prin urmare, volumul trebuie crescut de 2 14 =16384 ori. Cu alte cuvinte: fiecare cm 3 la 2 mK necesită 16,384 litri la 1 mK. Ca urmare, frigiderul va fi foarte mare și foarte scump. Pentru răcirea la temperaturi sub 2 mK, există o alternativă: demagnetizarea adiabatică nucleară .

Vezi și

Note

↑ Pobell, Frank. Materie și metode la temperaturi scăzute. // Berlin: Springer-Verlag.. - 2007. - S. 461 .
↑ Despre Leiden Cryogenics (link inaccesibil) . Consultat la 9 decembrie 2014. Arhivat din original pe 20 decembrie 2014. (nedefinit)
↑ Despre Leiden Cryogenics (în rusă) . Data accesului: 9 decembrie 2014. Arhivat din original pe 14 decembrie 2014. (nedefinit)

Link -uri

Principiul de funcționare al frigiderului de diluare