Дилюционные холодильники

Дилюционные холодильники (ДХ) — это устройства для достижения сверхнизких температур, как правило, в диапазоне от десятков милликельвинов до нескольких милликельвинов. Основной принцип работы основан на свойстве смеси гелия-3 и гелия-4 разделяться на два фазовых состояния при низких температурах: насыщенный фаза гелия-3 и обогащённая гелия-3 фазовая смесь. Разделение фаз сопровождается поглощением тепла в процессе перехода гелия-3 из богатой фазы в бедную, что обеспечивает охлаждение.

Ключевыми элементами ДХ являются:

  • Резервуары для жидкого гелия-3 и гелия-4, включая перегородки для разделения фаз.
  • Теплообменники, обеспечивающие эффективный контакт потоков газа и жидкой смеси.
  • Циркуляционный контур гелия-3, который перемещается через различные стадии теплообмена, терморазделителей и поглощающих устройств.

Физика охлаждения в дилюционных системах

Разделение фаз гелия-3/гелия-4

При температурах ниже примерно 0.87 К смесь 3He/4He разделяется на две фазы:

  1. Фаза богатая ^3He – содержит почти чистый гелий-3.
  2. Фаза бедная ^3He – состоит преимущественно из ^4He с растворённым небольшим количеством ^3He.

Когда ^3He переходит из богатой фазы в бедную, происходит эндотермический процесс, который поглощает теплоту из окружающей среды, создавая охлаждение. Энергетический эффект такого перехода описывается уравнением:

$$ Q = T \frac{dS}{dx} $$

где Q — количество поглощённого тепла, T — температура, dS — изменение энтропии при переходе ^3He между фазами, dx — изменение концентрации.

Конструкция и компоненты

1. Резервуар смеси и фазовый сепаратор

Фазовый сепаратор служит для удержания богатой и бедной фаз. Конструкция позволяет поддерживать устойчивое разделение, минимизируя турбулентность и обеспечивая стабильную работу холодильника.

2. Теплообменники

Эффективность ДХ сильно зависит от теплообменников, которые служат для передачи тепла между потоками ^3He, ^4He и стенками контура. В современных конструкциях применяются:

  • Медные теплообменники с микроструктурами, увеличивающими площадь контакта.
  • Ламинарные капиллярные теплообменники, позволяющие поддерживать стабильный поток при низком давлении.

3. Насосы и циркуляция

Циркуляция ^3He осуществляется через насосную систему или термосифонный принцип. Цель — непрерывное перемещение гелия-3 из фазового разделителя через теплообменники к точке повторного насыщения в богатой фазе.

Термодинамические характеристики

  • Температурный диапазон: от 10–20 мК до 300 мК (в зависимости от конструкции и состава смеси).
  • Коэффициент производительности (COP): определяется как отношение поглощаемой теплоты к затраченной энергии на циркуляцию и компрессию ^3He.
  • Энтропийная разница: ключевой параметр, определяющий охлаждающий эффект. Энтропия бедной фазы всегда ниже, что обеспечивает естественный поток ^3He и охлаждение.

Особенности эксплуатации

  1. Предварительное охлаждение: Перед включением ДХ смесь необходимо охладить до температуры ниже 1 К, обычно с помощью ^4He-рамп или криостатов на основе ^3He.
  2. Чистота смеси: Любые примеси существенно снижают эффективность фазового разделения.
  3. Контроль давления: Давление ^3He регулируется для оптимизации потока и предотвращения образования пузырьков в фазовом сепараторе.
  4. Влияние теплопроводности стенок: Высокая теплопроводность материалов корпуса повышает эффективность теплообмена, но чрезмерное утечка тепла из внешней среды снижает конечную температуру.

Применение дилюционных холодильников

ДХ нашли широкое применение в физике низких температур и смежных областях:

  • Исследование квантовых жидкостей и сверхтекучего состояния ^3He.
  • Работа с сверхчувствительными детекторами, например, микроболометрами для астрофизических наблюдений.
  • Квантовые вычислительные устройства, требующие стабильного охлаждения до мК-диапазона.
  • Низкотемпературная спектроскопия и магнитные измерения, где критична малая тепловая флуктуация.
Оглавление