Рефрижера́тор растворе́ния — криогенное устройство, впервые предложенное . В процессе охлаждения используется смесь двух изотопов гелия : ³ He и ⁴ He . При охлаждении ниже 700 мК смесь испытывает самопроизвольное , образуя фазы: богатую ³ He и богатую ⁴ He.

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

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

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

${\displaystyle {\dot {Q}}_{\mathrm {m} }\ {\text{[Вт]}}=({\dot {n}}_{3}\ {\text{[моль/с]}})\left(95(T_{\mathrm {m} }\ \mathrm {[K]} )^{2}-11(T_{\mathrm {i} }\ \mathrm {[K]} )^{2}\right),}$

где ${\displaystyle {\dot {n}}_{3}}$ — скорость циркуляции ³ He, T _m — температура в смесительной камере, и T _i — температура ³ He при попадании в смесительную камеру . В случае, если тепловая нагрузка равна нулю, имеется фиксированное соотношение между двумя температурами:

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

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 . Это тепловое сопротивление на границе раздела между жидким гелием и поверхностью теплообменника. Оно обратно пропорционально T ⁴ 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 пропорциональны T _m ⁻³ , а для уменьшения теплопередачи длина трубы должна быть пропорциональна 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 2 ¹⁴ = 16 384 раз . Другими словами: каждый см ³ при 2 мК требует 16 384 см ³ при 1 мК . В результате рефрижератор окажется очень большим и очень дорогим. Для охлаждения до температур ниже 2 мК существует альтернатива: ядерное адиабатическое размагничивание .

См. также

• Адиабатическое размагничивание
• Эффект Померанчука

Примечания

Ссылки

• (англ.)