6.1 Криостаты гелия-3 с внешними насосами

На рис. 6.1 схематически представлены конструкции криостатов 3Не по мере увеличения их сложности. В каждой конструкции 3Не ожижается в количестве нескольких см3 за счет его теплового контакта с ванной 4Не, которая откачивается до Т < 1,5 К.

 3He рефрижератор однократного действия с основной откачиваемой ванной 4He; 3He рефрижератор однократного действия с непрерывно работающим испарителем 4He; 3He рефрижератор циклического действия с непрерывно работающим испарителем 4He

На рис. 6.1а показано устройство, где предварительной ступенью охлаждения является основная ванна с 4Не, откачиваемая до температуры около 1,3 К и поглощающая скрытую теплоту конденсации входящего 3Не. Газообразный 3Не конденсируется на холодных поверхностях тонкостенной откачной трубки, поддерживающей камеру с 3Не (окруженной вакуумом), которая при этом будет медленно охлаждаться и, в итоге, накапливать жидкий 3Не. Когда сконденсируется весь жидкий 3Не, мы откачиваем эту жидкость, чтобы понизить температуру от ~ 1,3 К до требуемого значения; минимальная температура составляет обычно ~ 0,3 К.

Во втором устройстве основная 4Не ванна не откачивается и остается при нормальном давлении и 4,2 К, а для конденсации 3Не мы используем 4Не рефрижератор непрерывного испарения, рассмотренный в разд. 5.2.4. В обеих конструкциях используется метод одноразового циклического охлаждения части 3Не, потому что, в конце концов, весь 3Не испаряется (и благополучно возвращается к первоначальному состоянию!), и мы можем его конденсировать снова, начиная все сначала.

Наконец, в третьей конструкции 3Не рефрижератора реализован непрерывный режим путем добавления возвратной линии. Пар 3Не, который мы откачиваем из ванны с жидким 3Не при давлении, равном его упругости пара, будет выходить из насоса, имеющего комнатную температуру, при давлении в несколько десятых бар, затем предварительно охлаждаться в камере с 4Не и, наконец, повторно конденсироваться в камере с 3Не. Для этой цели газообразный 3Не будет проходить через теплообменник в ванне при температуре 4,2 К и затем через второй теплообменник в 4Не ванне при 1,3 К, где он, конечно, конденсируется. В этом случае жидкий 3Не будет расширяться при постоянной энтальпии (не изотермически), проходя через дроссель с сопротивлением порядка 1012 — 1013 см-5, благодаря которому поддерживается давление, достаточное для его конденсатам до того, как 3Не окажется в откачиваемой камере в виде жидкости, находящейся при низком давлении и низкой температуре. В такую конструкцию мы ввели несколько деталей (например теплообменник и дроссели), которые мы обсудим более подробно в следующей главе, посвященной рефрижераторам растворения 3Не4Не. Узкие капилляры, используемые в качестве дросселей, могут легко забиваться, если в системе имеются такие примеси, как вымерзший воздух в 4Не или 3Не. Поэтому нужно тщательно избегать примесей, и, в частности, можно использовать ловушку, охлаждаемую жидким азотом (рис. 7.22), после насоса, откачивающего 3Не при комнатной температуре, чтобы в ней вымерзали пары масла или продукты разложения масла, которые, возможно, выходят из насоса вместе с газообразным 3Не, а также остаточные примеси воздуха. Совершенно очевидно, что из-за высокой стоимости 3Не необходимо иметь вакуумно плотную замкнутую систему 3Не с герметизированным насосом, чтобы избежать потерь этого дорогостоящего газа. Кроме того, следует тщательно конструировать элементы устройства при комнатной температуре, чтобы минимизировать возможные объемы, и чтобы не слишком много газообразного 3Не оставалось неиспользованным в этих «мертвых» объемах.

6.1.1 Размеры насосов и откачных труб