희석 냉장고

He/⁴He 희석냉장고는 저온영역에 ^[1][2]움직이는 부품이 없고 최저 2 mK까지 지속적으로 냉각하는 극저온 장치이다.냉각전력은 헬륨-3 동위원소와 헬륨-4 동위원소의 혼합열로 공급된다.

희석 냉장고는 1950년대 초에 하인즈 런던에 의해 처음 제안되었고, 1964년 레이든 ^[3]대학의 카메링 오네스 연구소에서 실험적으로 실현되었습니다.희석 냉동 분야는 Zu 등에 의해 검토되었다.^[4]

연산 이론

냉동 공정은 헬륨-3와 헬륨-4의 두 동위원소의 혼합물을 사용한다.약 870밀리켈빈 이하로 냉각되면 자연상 분리를 통해 He-리치상(농축상)과 He-woor상(희석상)을 형성한다.상도와 같이 극저온에서 농축상은 기본적으로 순수 He이며 희석상은 He 약 6.6%, He 약 93.4%이다.작동 유체는 He로 실온에서 진공 펌프를 통해 순환됩니다.

그는 수백 밀리바의 압력으로 크라이오스탯에 들어간다.고전적인 회석 냉동기( 젖은 회석 냉동기로 알려진)에서, 3He 있고, 정결하게 77K에서 액체 질소와 4.2K. 다음에 4He 목욕에 의해 precooled, 3He이 더 1.2–1.5 K의 온도로 1K목욕탕,(헬륨 reservoi의 압력 감소로vacuum-pumped 4He 욕에 의해 냉각되는 진공 챔버에 들어간다.rd비등점을 누른다).1K 욕조는 He 가스를 액화시켜 응축열을 제거합니다.그런 다음 He는 흐름 저항이 큰 모세관인 주 임피던스로 들어갑니다.냉각기는 (아래 설명)에 의해 500~700mK의 온도로 냉각됩니다.그 후 He는 2차 임피던스 및 역류 열교환기 세트의 한쪽을 통과하여 He의 냉류에 의해 냉각된다.마지막으로 순수한 He가 장치의 가장 차가운 영역인 혼합실로 들어갑니다.

혼합실에서는 ⁴He-He 혼합물의 2상인 농축상(실제로는 100% He)과 희석상(약 6.6% He, 93.4% He)이 평형을 이루며 위상경계에 의해 분리된다.챔버 내부에서는 He가 농축상으로부터 Phase boundary를 통과하여 묽상으로 흐르면서 희석된다.He가 상경계를 통과하여 이동하는 과정은 흡열작용으로 혼합실 환경에서 열을 제거하기 때문에 희석 시 필요한 열은 냉장고의 유용한 냉각력입니다.He는 혼합 챔버를 묽은 상태로 둔다.희박한 면과 고요한 면에서는 그는 정지해 있는 초유체를 통해 흐른다.He는 다른 점성 ^[5]유체처럼 압력 구배에 의해 희석 채널을 통해 구동됩니다.상승하는 동안, 차갑고 희박한 He는 열교환기를 통해 하류 농축된 He를 냉각시키고 정지상태로 들어갑니다.실온에서 펌프가 스틸 내의 압력을 낮게(약 10Pa) 유지합니다.아직 남아 있는 수증기는 실질적으로 순수한 He로, 500~700mK의 He보다 훨씬 높은 편압을 가지고 있다.He의 안정적인 흐름을 유지하기 위해 스틸에 열이 공급됩니다.펌프는 He를 수백 milbar의 압력으로 압축한 후 크라이오스타트에 다시 공급하여 사이클을 완료한다.

무냉동 희석 냉동기

최신 희석 냉장고는 액체 질소, 액체 헬륨 및 1K ^[6]욕조 대신 극저온 냉각기로 He를 미리 냉각할 수 있습니다.이러한 "건식 저온 장치"에서는 외부로부터 극저온 액체를 공급할 필요가 없으며, 작동을 고도로 자동화할 수 있습니다.그러나 건조한 크라이오스타트는 에너지 요구량이 높으며 펄스 튜브 냉장고에 의해 발생하는 것과 같은 기계적 진동에 노출될 수 있습니다.최초의 실험 기계는 (상용) 극저온 냉각기를 사용할 수 있게 되면서 액체 헬륨보다 낮은 온도에 도달할 수 있고 충분한 냉각력을 가질 수 있게 된 1990년대에 만들어졌습니다(^[7]4.2K에서 1와트).펄스 튜브 냉각기는 건조 희석 냉장고에 일반적으로 사용됩니다.

건조 희석 냉장고는 일반적으로 두 가지 설계 중 하나를 따릅니다.하나의 설계에는 내부 진공 캔이 포함되어 있습니다. 이 캔은 초기에 기계를 실온에서 펄스 튜브 쿨러의 기본 온도로 냉각하는 데 사용됩니다(열 교환 가스 사용).그러나 냉장고가 냉각될 때마다 저온에서 유지되는 진공 씰을 만들어야 하며 실험 배선은 저온 진공 피드 스루를 사용해야 합니다.또 다른 설계는 실현이 더 까다로워 사전 냉각에 필요한 열 스위치가 필요하지만 내부 진공이 필요하지 않으므로 실험 배선의 복잡성을 크게 줄일 수 있습니다.

냉각 전력

혼합실의 냉각 전력(와트)은 대략 다음과 같습니다.

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

$n{\displaystyle {\stackrel{}{}}_{}}$ ${\displaystyle 3_{\mathrm{}}}$ 3 {$displaystyle${ $dot {n}$_${3}$}${\displaystyle {\stackrel{}{}}_{}}$is$$ He molar circulation rate 、 T_m the_i Mixing chamber ber T 、 Mixing chamber ber T 、 Mixing chamber로 들어가는 He의 온도유용한 냉각 기능은 다음과 같은 경우에만 가능합니다.

${\displaystyle T_{i} <2.8T_{m}.$

이는 마지막 열교환기의 최대온도를 설정하는데, 이 이상의 냉각전력은 입사He를 냉각시키기 위해서만 사용된다.

혼합 챔버 내부에서는 순수상과 희석상 ${\displaystyle {Ti}_{}}$between ${\displaystyle T_{}}$m$$. \ $display style$ T_${i}$ \ $apprough T_${m$$$}$ 사이의 열저항이 미미하여 냉각력이 다음과 같이 감소한다.

${\displaystyle {Q}_{m}\;[{\text{}W}}] = 84\left({\dot {n}}_{3}\;[\text {mol/s}}}\right)(T\;[\text {K}})^{2}.}$

T가_m 낮은 경우에만_i T에 도달할 수 있습니다.상기_i 저온영역의 개략도와 같이 열교환기를 이용하여 T를 저감한다.그러나 매우 낮은 온도에서 이것은 소위 카피차 저항성 때문에 점점 더 어려워집니다.이는 헬륨 액체와 열 교환기의 고체 본체 사이의 표면에서 발생하는 내열성입니다.이는 T 및 열교환 표면적 A에⁴ 반비례합니다.즉, 동일한 내열성을 얻으려면 온도가 10배 감소하면 표면을 10,000배 증가시켜야 한다.저온(약 30mK 이하)에서 낮은 열저항을 얻으려면 넓은 표면적이 필요합니다.온도가 낮을수록 면적이 넓어집니다.실제로 매우 고운 은가루를 사용한다.

제한 사항

희석 냉장고의 저온에 대한 근본적인 제한은 없습니다.그러나 실제적인 이유로 온도 범위는 약 2mK로 제한됩니다.매우 낮은 온도에서 순환 유체의 점도와 열전도율은 온도가 낮아지면 모두 커집니다.비스코스 가열을 줄이려면 혼합실의 입구 및 출구 튜브의 직경이 T로⁻³
_m 되어야 하며, 열 흐름을 줄이려면 튜브의 길이가 T로⁻⁸
_m 되어야 합니다.즉, 온도를 계수 2만큼 낮추려면 직경을 계수 8만큼, 길이를 계수 256만큼 늘려야 합니다.따라서 체적은 인자¹⁴ 2 = 16,384만큼 증가해야 한다.즉, 2mK에서 cm마다³ 1mK에서 16,384cm가³ 됩니다.그 기계들은 매우 크고 매우 비싸질 것이다.2mK 이하의 냉각을 위한 강력한 대안이 있다. 바로 핵 탈자이다.

「 」를 참조해 주세요.

• 단열 소자
• 자기냉동
• 헬륨-3 냉장고
• 냉장 수송 Dewar
• 저온 기술 연대표

레퍼런스

• H. E. Hall, P. J. Ford, and K. Thomson (1966). "A helium-3 dilution refrigerator". Cryogenics. 6 (2): 80–88. Bibcode:1966Cryo....6...80H. doi:10.1016/0011-2275(66)90034-8.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)
• J. C. Wheatley, O. E. Vilches, and W. R. Abel (1968). "Principles and methods of dilution refrigeration". Journal of Low Temperature Physics. 4: 1–64. doi:10.1007/BF00628435.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)
• T. O. Niinikoski (1971). "A horizontal dilution refrigerator with very high cooling power". Nuclear Instruments and Methods. 97 (1): 95–101. Bibcode:1971NucIM..97...95N. doi:10.1016/0029-554X(71)90518-0.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)
• G. J. Frossati (1992). "Experimental techniques: methods for cooling below 300 mK". Journal of Low Temperature Physics. 87 (3–4): 595–633. Bibcode:1992JLTP...87..595F. CiteSeerX 10.1.1.632.2758. doi:10.1007/bf00114918.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)

외부 링크

• Lancaster University, 초저온 물리학 - 희석 냉동에 대한 설명.
• 하버드 대학교 Marcus Lab - 희석 냉장고에 대한 히치하이커 가이드.