5.2.4.2 Криостат испарения гелия-4 непрерывного действия

Конструкция непрерывно работающего криостата испарения с 4Не представлена на рис. 5.4.

Схема постоянно действующего рефрижератора с гелием-4 для области температур между 1,3 и 4,2 K

В таком рефрижераторе малая часть жидкости течет из основной ванны, имеющей температуру 4,2 К, через подходящий дроссель (см. ниже) в малую камеру объемом в несколько см3, расположенную внутри вакуумной рубашки криостата. Через центральную трубку мы откачиваем жидкость, поступающую в эту камеру испарения. Жидкость из основной ванны при давлении 1 бар, проходя через дроссель, расширяется при постоянной энтальпии и поступает в камеру испарения при более низкой температуре. В свою очередь почти половина теплоты испарения расходуется на охлаждение жидкости; другая половина может быть использована для заполнения внутренней камеры жидкостью и охлаждения чего-то другого. Эта камера будет продолжать заполняться до тех пор, пока уровень жидкости в откачной трубке установится на высоте h, при которой тепло, передаваемое из основной гелиевой ванны через столб жидкости, плюс тепло от экспериментального устройства не будут скомпенсированы холодопроизводительностью рефрижератора за счет скрытой теплоты испарения. Мы получим следующее уравнение для стационарного режима рефрижератора:

Рефрижератор является саморегулирующимся; если мы увеличиваем внешнюю нагрузку, то уровень жидкости в откачной трубке будет опускаться, так что вклад в теплопередачу к внутренней камере уменьшается. При изменении приложенной к камере тепловой нагрузки температура рефрижератора с непрерывно испаряющимся 4Не остается достаточно постоянной вблизи 1,3 К (рис. 5.5).

 Режрижератор, для которого приводятся данные, может работать при постоянной температуревплоть до тепловой нагрузки около 3 мВт

Конечно, внешнее приложенное тепло может быть столь большим, что из камеры испарится вся жидкость, и это вызовет быстрый рост температуры. Непрерывный испаритель с 4Не в настоящее время является стандартным устройством для конденсации или этапа предварительного охлаждения криостатов с 3Не, и, прежде всего, рефрижераторов растворения 3Не4Не, которые будут рассмотрены ниже. В этом случае нужно быть уверенным, что холодопроизводительность внутренней камеры достаточна для отвода теплоты конденсации циркулирующего 3Не.

Уравнение для требуемого сопротивления дросселя имеет вид

 for_01_05_04

где ΔР — перепад давлений (от 1 бар до 1 мбар), необходимый для того, чтобы обеспечить объемную скорость течения V жидкости с вязкостью η, см. также (7.47). Типичное значение требуемого сопротивления потоку Z — несколько 1011 см3, что может быть получено с помощью капилляра длиной 1 м (несколько метров) с внутренним диаметром около 0,05 мм (0,1 мм). Другая возможность — использовать более короткий кусок (10 ÷ 20 см) капилляра и плотно вставить внутрь него проволочку [5.6]. При слишком большом Z будет опустошаться камера с 4Не, а при слишком малом Z не будет достигаться необходимая температура. В процессе охлаждения рефрижератор дожен быть связан с объемом очень чистого газообразного 4Не, находящегося при повышенном давлении, чтобы предотвратить попадание азота или воздуха и блокировку капилляра заполнения. Иногда возникают проблемы, связанные с попаданием примесей из основной гелиевой ванны (например, замерзшего воздуха) и блокировкой тонкого капилляра, используемого в качестве дросселя. Поэтому нужно перед входом в капилляр ставить фильтр (например, из медного порошка), а также поддерживать основную гелиевую ванну чистой. Используя значение теплоты испарения 4Не (рис. 2.5) и типичную скорость потока V = 10–4 моль/с (получаемую современными механическими насосами), мы имеем для такого криостата испарения 4Не холодопроизводительность около 5 мВт (рис. 5.5).

Непрерывно работающий рефрижератор 4Не значительно сокращает расход жидкого 4Не. И другое его достоинство — основная ванна 4Не поддерживается при 4,2 К и 1 бар, и запас гелия может пополняться без прерывания работы рефрижератора испарения и экспериментального устройства, пока уровень в основной ванне не опустится ниже входа в испаритель.

Прежде эти испарители работали в дискретном режиме, при этом вместо дросселя использовали вентиль. В этом режиме камеру можно было одноразово заполнить жидкостью из основной ванны через вентиль. Затем вентиль закрывали, и начиналась откачка внутренней камеры. Когда жидкость в камере заканчивалась, то эксперимент, конечно, приходилось прерывать для того, чтобы вновь заполнить камеру.

Недавно был описан [5.7,8] непрерывно работающий криостат 4Не, сконструированный как вставка в транспортные дьюары (с диаметром горловины, например, 32 или 50 мм). Криостат такого типа, используемый в нашей лаборатории, показан на рис. 5.6.

Конструкция низкотемпературной части погружаемого штока криостата с гелием-4 ждя области температур T>1,3K

Он может работать от комнатной температуры до Т ~ 1,3 К, имеет чрезвычайно малый расход гелия, быстрые времена охлаждения и отепления, низкую стоимость, простую конструкцию и превосходную температурную стабильность. Малый диаметр криостата делает возможным использование вакуумной рубашки с коническим (7°) уплотнением со смазкой (используется безводная силиконовая смазка). Криостат может быть даже снабжен сверхпроводящим магнитом с внутренним диаметром 2,5 (2) см и наружным диаметром 4 см для получения поля 2 (4) Тл, например. Эти очень полезные криостаты имеются в продаже, но могут быть изготовлены в лабораторной мастерской в соответвествии с детальным описанием в [5.7,8]. Альтернативная конструкция была описана в [5.9].

 

View one comment on “5.2.4.2 Криостат испарения гелия-4 непрерывного действия

Comments are closed.