Рефрижератор растворения

Рефрижератор растворения — криогенное устройство, впервые предложенное Хайнцем Лондоном. В процессе охлаждения используется смесь двух изотопов гелия: ³He и ⁴He. При охлаждении ниже 700 мК смесь испытывает самопроизвольное разделение фаз, образуя фазы: богатую ³He и богатую ⁴He.

Как и при охлаждении испарением, для переноса атомов ³He из фазы, богатой ³He, в фазу, богатую ⁴He, требуется энергия. Если заставить атомы ³He непрерывно пересекать границу раздела фаз, смесь будет эффективно охлаждаться. Поскольку фаза, богатая ⁴He, не может содержать меньше чем 6 % ³He, даже при абсолютном нуле температуры в равновесии, рефрижератор растворения может быть эффективным при очень низких температурах. Ёмкость, в которой происходит этот процесс, называется смесительной камерой.

Наиболее простое применение — «одноразовый» рефрижератор растворения. В одноразовом режиме большой объем ³He постепенно перемещается через границу раздела фаз в фазу, богатую ⁴He. Когда весь запас ³He оказывается в фазе, богатой ⁴He, рефрижератор не может продолжать работу.

Намного чаще рефрижераторы растворения работают в непрерывном цикле. Смесь ³He / ⁴He ожижается в конденсаторе, который подсоединен через дроссель к области смесительной камеры, богатой ³He. Атомы ³He, проходя через границу раздела фаз, отбирают энергию у системы. Далее следует различать рефрижераторы растворения с внешней и с внутренней откачкой. В первом случае пары ³He откачиваются высоковакуумным насосом (турбомолекулярным или диффузионным). Во втором — сорбционным насосом. Рефрижераторы растворения с внешней откачкой обеспечивают большую холодопроизводительность, однако нуждаются в большем количестве ³He. Откачанный ³He, иногда очищенный, возвращается в конденсор.

Рефрижераторы растворения с непрерывным циклом обычно используются в низкотемпературных физических экспериментах.

Охлаждающая мощность

Охлаждающая мощность (в Ваттах) в смесительной камере может быть примерно рассчитана по следующей формуле:

<math>\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]</math>

где <math>\dot n_3</math> - скорость циркуляции ³He, T_m — температура в смесительной камере, и T_i — температура ³He при попадании в смесительную камеру. В случае, если тепловая нагрузка равна нулю, имеется фиксированное соотношение между двумя температурами:

<math>T_m =\frac{T_i}{2.8}.</math>

Из этого соотношения видно, что низкая T_m может быть достигнута, только если T_i также мала. В рефрижераторе растворения последняя уменьшается с помощью теплообменников. Однако, при очень низких температурах это становится весьма сложным из-за так называемого сопротивления Капицы. Это тепловое сопротивление на границе раздела между жидким гелием и поверхностью теплообменника. Оно обратно пропорционально T⁴ и площади поверхности теплообмена A. Другими словами: тепловое сопротивление при увеличении площади поверхности в 10,000 раз остаётся тем же, если температура уменьшается в 10 раз. Таким образом, для получения малого термального сопротивления при низкой температуре (ниже 30 мК) нужна весьма большая площадь поверхности теплообменника. На практике с этими целями используется очень мелкодисперсный серебряный порошок. Впервые это было предложено профессором Дж. Фроссати в 1970 году. В настоящее время компания, основанная им, является ведущим производителем рефрижераторов растворения и другой Hi-end холодильной техники.

Ограничения

Принципиального ограничения минимальной температуры, достижимой в рефрижераторах растворения, нет. Тем не менее, температурный диапазон ограничивается примерно 2 мК по практическим соображениям: чем ниже температура циркулирующей жидкости, тем больше её вязкость и теплопроводность. Для уменьшения теплоты внутреннего трения в вязкой жидкости диаметры входного и выходного патрубков камеры смешения должен быть T_m⁻³, а для уменьшения теплопередачи длина трубы должна быть T_m⁻⁸. Это означает, что, для снижения температуры в 2 раза, необходимо увеличить диаметр в 8 раз, а длину — в 256 раз. Следовательно, объём должен быть увеличен в 2¹⁴=16384 раз. Другими словами: каждый см³ при 2 мК требует 16,384 л на 1 мК. В результате рефрижератор окажется очень большим и очень дорогим. Для охлаждения до температур ниже 2мК существует альтернатива: ядерное адиабатическое размагничивание.

См. также

• Адиабатическое размагничивание
• Эффект Померанчука

Ссылки

• [cdms.berkeley.edu/UCB/75fridge/inxsrc/dilution/ Принцип действия рефрижератора растворения] (англ.)

Отрывок, характеризующий Рефрижератор растворения

Пьер с искренностью отвечал Анне Павловне утвердительно на вопрос ее об искусстве Элен держать себя. Ежели он когда нибудь думал об Элен, то думал именно о ее красоте и о том не обыкновенном ее спокойном уменьи быть молчаливо достойною в свете.
Тетушка приняла в свой уголок двух молодых людей, но, казалось, желала скрыть свое обожание к Элен и желала более выразить страх перед Анной Павловной. Она взглядывала на племянницу, как бы спрашивая, что ей делать с этими людьми. Отходя от них, Анна Павловна опять тронула пальчиком рукав Пьера и проговорила:
– J'espere, que vous ne direz plus qu'on s'ennuie chez moi, [Надеюсь, вы не скажете другой раз, что у меня скучают,] – и взглянула на Элен.
Элен улыбнулась с таким видом, который говорил, что она не допускала возможности, чтобы кто либо мог видеть ее и не быть восхищенным. Тетушка прокашлялась, проглотила слюни и по французски сказала, что она очень рада видеть Элен; потом обратилась к Пьеру с тем же приветствием и с той же миной. В середине скучливого и спотыкающегося разговора Элен оглянулась на Пьера и улыбнулась ему той улыбкой, ясной, красивой, которой она улыбалась всем. Пьер так привык к этой улыбке, так мало она выражала для него, что он не обратил на нее никакого внимания. Тетушка говорила в это время о коллекции табакерок, которая была у покойного отца Пьера, графа Безухого, и показала свою табакерку. Княжна Элен попросила посмотреть портрет мужа тетушки, который был сделан на этой табакерке.
– Это, верно, делано Винесом, – сказал Пьер, называя известного миниатюриста, нагибаясь к столу, чтоб взять в руки табакерку, и прислушиваясь к разговору за другим столом.
Он привстал, желая обойти, но тетушка подала табакерку прямо через Элен, позади ее. Элен нагнулась вперед, чтобы дать место, и, улыбаясь, оглянулась. Она была, как и всегда на вечерах, в весьма открытом по тогдашней моде спереди и сзади платье. Ее бюст, казавшийся всегда мраморным Пьеру, находился в таком близком расстоянии от его глаз, что он своими близорукими глазами невольно различал живую прелесть ее плеч и шеи, и так близко от его губ, что ему стоило немного нагнуться, чтобы прикоснуться до нее. Он слышал тепло ее тела, запах духов и скрып ее корсета при движении. Он видел не ее мраморную красоту, составлявшую одно целое с ее платьем, он видел и чувствовал всю прелесть ее тела, которое было закрыто только одеждой. И, раз увидав это, он не мог видеть иначе, как мы не можем возвратиться к раз объясненному обману.
«Так вы до сих пор не замечали, как я прекрасна? – как будто сказала Элен. – Вы не замечали, что я женщина? Да, я женщина, которая может принадлежать всякому и вам тоже», сказал ее взгляд. И в ту же минуту Пьер почувствовал, что Элен не только могла, но должна была быть его женою, что это не может быть иначе.
Он знал это в эту минуту так же верно, как бы он знал это, стоя под венцом с нею. Как это будет? и когда? он не знал; не знал даже, хорошо ли это будет (ему даже чувствовалось, что это нехорошо почему то), но он знал, что это будет.
Пьер опустил глаза, опять поднял их и снова хотел увидеть ее такою дальнею, чужою для себя красавицею, какою он видал ее каждый день прежде; но он не мог уже этого сделать. Не мог, как не может человек, прежде смотревший в тумане на былинку бурьяна и видевший в ней дерево, увидав былинку, снова увидеть в ней дерево. Она была страшно близка ему. Она имела уже власть над ним. И между ним и ею не было уже никаких преград, кроме преград его собственной воли.
– Bon, je vous laisse dans votre petit coin. Je vois, que vous y etes tres bien, [Хорошо, я вас оставлю в вашем уголке. Я вижу, вам там хорошо,] – сказал голос Анны Павловны.
И Пьер, со страхом вспоминая, не сделал ли он чего нибудь предосудительного, краснея, оглянулся вокруг себя. Ему казалось, что все знают, так же как и он, про то, что с ним случилось.
Через несколько времени, когда он подошел к большому кружку, Анна Павловна сказала ему:
– On dit que vous embellissez votre maison de Petersbourg. [Говорят, вы отделываете свой петербургский дом.]
(Это была правда: архитектор сказал, что это нужно ему, и Пьер, сам не зная, зачем, отделывал свой огромный дом в Петербурге.)
– C'est bien, mais ne demenagez pas de chez le prince Ваsile. Il est bon d'avoir un ami comme le prince, – сказала она, улыбаясь князю Василию. – J'en sais quelque chose. N'est ce pas? [Это хорошо, но не переезжайте от князя Василия. Хорошо иметь такого друга. Я кое что об этом знаю. Не правда ли?] А вы еще так молоды. Вам нужны советы. Вы не сердитесь на меня, что я пользуюсь правами старух. – Она замолчала, как молчат всегда женщины, чего то ожидая после того, как скажут про свои года. – Если вы женитесь, то другое дело. – И она соединила их в один взгляд. Пьер не смотрел на Элен, и она на него. Но она была всё так же страшно близка ему. Он промычал что то и покраснел.
Вернувшись домой, Пьер долго не мог заснуть, думая о том, что с ним случилось. Что же случилось с ним? Ничего. Он только понял, что женщина, которую он знал ребенком, про которую он рассеянно говорил: «да, хороша», когда ему говорили, что Элен красавица, он понял, что эта женщина может принадлежать ему.