Un refrigerador de dilución de 3 He / 4 He es un dispositivo criogénico que proporciona enfriamiento continuo a temperaturas tan bajas como 2 mK , sin partes móviles en la región de baja temperatura. [1] El poder de enfriamiento es proporcionado por el calor de mezcla de los isótopos Helio-3 y Helio-4 .
El refrigerador de dilución fue propuesto por primera vez por Heinz London a principios de la década de 1950 y se realizó experimentalmente en 1964 en el Kamerlingh Onnes Laboratorium de la Universidad de Leiden . [2]
Teoría de operación
El proceso de refrigeración utiliza una mezcla de dos isótopos de helio : helio-3 y helio-4 . Cuando se enfría por debajo de aproximadamente 870 milikelvins , la mezcla experimenta una separación de fase espontánea para formar una fase rica en 3 He (la fase concentrada) y una fase pobre en 3 He (la fase diluida). Como se muestra en el diagrama de fases, a temperaturas muy bajas, la fase concentrada es esencialmente 3 He puro , mientras que la fase diluida contiene aproximadamente 6,6% de 3 He y 93,4% de 4 He. El fluido de trabajo es 3 He, que circula mediante bombas de vacío a temperatura ambiente.
El 3 Entra en el criostato a una presión de unos cientos de milibares . En el refrigerador de dilución clásico (conocido como refrigerador de dilución húmeda ), el 3 He se enfría previamente y se purifica con nitrógeno líquido a 77 K y un baño de 4 He a 4,2 K. Luego, el 3 He ingresa a una cámara de vacío donde se enfría aún más. a una temperatura de 1.2–1.5 K por el baño de 1 K , un baño de 4 He bombeado al vacío (ya que al disminuir la presión del depósito de helio se deprime su punto de ebullición). El baño de 1 K licua el gas 3 He y elimina el calor de condensación . El 3 He entra entonces en la impedancia principal, un capilar con una gran resistencia al flujo. Se enfría mediante el destilador (descrito a continuación) a una temperatura de 500 a 700 mK. Posteriormente, el 3 He fluye a través de una impedancia secundaria y por un lado de un conjunto de intercambiadores de calor a contracorriente donde se enfría mediante un flujo frío de 3 He. Finalmente, el 3 He puro entra en la cámara de mezcla, la zona más fría del dispositivo.
En la cámara de mezcla, dos fases de la 3 He- 4 mezcla de He, la fase concentrada (prácticamente 100% 3 He) y la fase diluida (aproximadamente 6.6% 3 Él y 93,4% 4 He), están en equilibrio y separados por una límite de fase. Dentro de la cámara, el 3 He se diluye a medida que fluye desde la fase concentrada a través del límite de fase hacia la fase diluida. El calor necesario para la dilución es el poder de enfriamiento útil del refrigerador, ya que el proceso de mover el 3 He a través del límite de fase es endotérmico y elimina el calor del ambiente de la cámara de mezcla. El 3 He luego sale de la cámara de mezcla en la fase diluida. En el lado diluido y en el alambique el 3 El fluye a través del superfluido 4 El que está en reposo. El 3 He es impulsado a través del canal diluido por un gradiente de presión como cualquier otro fluido viscoso. [3] En su camino hacia arriba, el frío, diluido 3 Él enfría el 3 He concentrado que fluye hacia abajo a través de los intercambiadores de calor y entra en el alambique. La presión en el destilador se mantiene baja (alrededor de 10 Pa) mediante las bombas a temperatura ambiente. El vapor en el alambique es prácticamente puro 3 He, que tiene una presión parcial mucho más alta que 4 He a 500-700 mK. Se suministra calor al destilador para mantener un flujo constante de 3 He. Las bombas comprimen el 3 He a una presión de unos cientos de milibares y lo devuelven al criostato, completando el ciclo.
Refrigeradores de dilución sin criógeno
Los refrigeradores de dilución modernos pueden preenfriar el 3 He con un crioenfriador en lugar de nitrógeno líquido, helio líquido y un baño de 1 K. [4] No se necesita un suministro externo de líquidos criogénicos en estos "criostatos secos" y la operación puede ser altamente automatizada. Sin embargo, los criostatos secos tienen altos requisitos de energía y están sujetos a vibraciones mecánicas, como las producidas por los refrigeradores de tubos de impulsos . Las primeras máquinas experimentales se construyeron en la década de 1990, cuando se dispuso de crioenfriadores (comerciales) capaces de alcanzar una temperatura más baja que la del helio líquido y tener suficiente potencia de enfriamiento (del orden de 1 vatio a 4,2 K). [5] Los enfriadores de tubo de pulso son enfriadores criogénicos comúnmente usados en refrigeradores de dilución seca.
Los refrigeradores de dilución seca generalmente siguen uno de dos diseños. Un diseño incorpora una lata de vacío interna, que se usa para preenfriar inicialmente la máquina desde la temperatura ambiente hasta la temperatura base del enfriador de tubo de pulso (usando gas de intercambio de calor). Sin embargo, cada vez que se enfría el refrigerador, se debe hacer un sello de vacío que se mantenga a temperaturas criogénicas, y se deben usar conductos de vacío de baja temperatura para el cableado experimental. El otro diseño es más exigente de realizar y requiere interruptores de calor que son necesarios para el preenfriamiento, pero no se necesita una lata de vacío interna, lo que reduce en gran medida la complejidad del cableado experimental.
Poder de enfriamiento
La potencia de enfriamiento (en vatios) en la cámara de mezcla viene dada aproximadamente por
dónde es la velocidad de circulación molar del 3 He, T m es la temperatura de la cámara de mezcla y T i la temperatura del 3 He que entra en la cámara de mezcla. [6] Solo habrá enfriamiento útil cuando
Esto establece una temperatura máxima del último intercambiador de calor, ya que por encima de esto, toda la potencia de refrigeración se utiliza solo para enfriar los 3 He incidentes .
Dentro de una cámara de mezcla hay una resistencia térmica insignificante entre las fases pura y diluida, y la potencia de enfriamiento se reduce a
Solo se puede alcanzar una T m baja si la T i es baja. En los refrigeradores de dilución, T i se reduce mediante el uso de intercambiadores de calor como se muestra en el diagrama esquemático de la región de baja temperatura anterior. Sin embargo, a temperaturas muy bajas esto se vuelve cada vez más difícil debido a la denominada resistencia Kapitza . Esta es una resistencia al calor en la superficie entre los líquidos de helio y el cuerpo sólido del intercambiador de calor. Es inversamente proporcional a T 4 y la superficie de intercambio de calor A . En otras palabras: para obtener la misma resistencia al calor, es necesario aumentar la superficie en un factor de 10,000 si la temperatura se reduce en un factor 10. Para obtener una baja resistencia térmica a bajas temperaturas (por debajo de aproximadamente 30 mK), una gran superficie se necesita área. Cuanto menor sea la temperatura, mayor será el área. En la práctica, se utiliza un polvo de plata muy fino.
Limitaciones
No existe una limitación fundamental de baja temperatura de los refrigeradores de dilución. Sin embargo, el rango de temperatura está limitado a aproximadamente 2 mK por razones prácticas. A temperaturas muy bajas, tanto la viscosidad como la conductividad térmica del fluido en circulación aumentan si se baja la temperatura. Para reducir el calentamiento viscoso, los diámetros de los tubos de entrada y salida de la cámara de mezcla deben ir como T−3
my para obtener un flujo de calor bajo, las longitudes de los tubos deben ir como T−8
m. Eso significa que, para reducir la temperatura en un factor 2, es necesario aumentar el diámetro en un factor 8 y la longitud en un factor 256. Por lo tanto, el volumen debe aumentarse en un factor 2 14 = 16,384. En otras palabras: cada cm 3 a 2 mK se convertiría en 16,384 cm 3 a 1 mK. Las máquinas se volverían muy grandes y muy caras. Existe una poderosa alternativa para enfriar por debajo de 2 mK: la desmagnetización nuclear .
Ver también
Referencias
- ^ Lounasmaa, OV (1974). Principios y métodos por debajo de 1 K experimentales . Londres: Academic Press. pag. 316. ISBN 978-0124559509.
- ^ Das, P .; Ouboter, RB; Taconis, KW (1965). "Realización de un frigorífico tipo London-Clarke-Mendoza". Física de baja temperatura LT9 . pag. 1253. doi : 10.1007 / 978-1-4899-6443-4_133 . ISBN 978-1-4899-6217-1.
- ^ de Waele, A.Th.AM; Kuerten, JGM (1991). "Termodinámica y la hidrodinámica de 3 He- 4 mezclas HE". En Brewer, DF (ed.). Progreso en física de bajas temperaturas, volumen 13 . Elsevier. págs. 167–218. ISBN 9780080873084.
- ^ Waele, ATAM (2011). "Funcionamiento básico de crioenfriadores y máquinas térmicas relacionadas" . Revista de física de bajas temperaturas . 164 (5–6): 179–236. Código bibliográfico : 2011JLTP..164..179D . doi : 10.1007 / s10909-011-0373-x .
- ^ Uhlig, K .; Hehn, W. (1997). " Refrigerador de dilución 3 He / 4 He preenfriado por un refrigerador Gifford-McMahon". Criogenia . 37 (5): 279. Bibcode : 1997Cryo ... 37..279U . doi : 10.1016 / S0011-2275 (97) 00026-X .
- ^ Pobell, Frank (2007). Materia y métodos a bajas temperaturas . Berlín: Springer-Verlag. pag. 461. ISBN 978-3540463603.
- HE Hall, PJ Ford y K. Thomson (1966). "Un refrigerador de dilución de helio-3". Criogenia . 6 (2): 80–88. Bibcode : 1966Cryo .... 6 ... 80H . doi : 10.1016 / 0011-2275 (66) 90034-8 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- JC Wheatley, OE Vilches y WR Abel (1968). "Principios y métodos de refrigeración por dilución". Revista de física de bajas temperaturas . 4 : 1–64. doi : 10.1007 / BF00628435 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- A Niinikoski (1971). "Un frigorífico de dilución horizontal con muy alta potencia frigorífica". Instrumentos y métodos nucleares . 97 (1): 95–101. Código bibliográfico : 1971NucIM..97 ... 95N . doi : 10.1016 / 0029-554X (71) 90518-0 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- GJ Frossati (1992). "Técnicas experimentales: métodos de enfriamiento por debajo de 300 mK". Revista de física de bajas temperaturas . 87 (3–4): 595–633. Código Bibliográfico : 1992JLTP ... 87..595F . CiteSeerX 10.1.1.632.2758 . doi : 10.1007 / bf00114918 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
enlaces externos
- Explicación de la dilución 3He-4He
- Universidad de Lancaster, Física de temperaturas ultrabajas : descripción de la refrigeración por dilución.
- Universidad de Harvard, Marcus Lab - Guía del autoestopista para el refrigerador de dilución.