miniatura|Diagrama de fases de mescles líquides de 3He–4He que mostra la separació de fases Un refrigerador de dilució de 3He/4He, o simplement refrigerador de dilució, és un dispositiu criogènic que proporciona refredament continu a temperatures tan baixes com 2 mK, sense parts mòbils a la regió de baixa temperatura. El poder de refrigeració és proporcionat per la calor de la barreja dels isòtops d'heli-3 i heli-4.
El refrigerador de dilució va ser proposat per primera vegada per Heinz London a principis dels anys cinquanta i es va realitzar experimentalment el 1964 al Kamerlingh Onnes Laboratorium de la Universitat de Leiden.
Teoria de funcionament Un refrigerador de dilució de 3He/4He, o simplement refrigerador de dilució, és un dispositiu criogènic que proporciona refredament continu a temperatures tan baixes com 2 mK, sense parts mòbils a la regió de baixa temperatura. El poder de refrigeració és proporcionat per la calor de la barreja dels isòtops d'heli-3 i heli-4.
El refrigerador de dilució va ser proposat per primera vegada per Heinz London a principis dels anys cinquanta i es va realitzar experimentalment el 1964 al Kamerlingh Onnes Laboratorium de la Universitat de Leiden.
Teoria de funcionament El procés de refrigeració utilitza una barreja dels dos isòtops estables de l'heli: heli-3 i heli-4. Quan es refreda per sota d'aproximadament 870 mil·likelvins, la barreja experimenta una separació de fases espontània per formar una fase rica en 3He (la fase concentrada) i una fase pobra en 3He (la fase diluïda). Com es mostra al diagrama de fases, a temperatures molt baixes la fase concentrada és essencialment 3He pur, mentre que la fase diluïda conté aproximadament un 6,6% de 3He i un 93,4% de 4He. El fluid de treball és 3He, que es fa circular mitjançant bombes de buit a temperatura ambient. El 3He entra al criòstat a una pressió d'uns quants centenars de mil·libars.
Refrigeradors de dilució humida En el refrigerador de dilució clàssic (conegut com a refrigerador de dilució humida ), el 3He es prerefreda i es purifica amb nitrogen líquid a 77 °F. K i un bany de 4He a 4,2 K. A continuació, el 3He entra en una cambra de buit on es refreda encara més fins a una temperatura d'1,2–1,5 K per l'1 Bany de K, un bany de 4He bombat al buit (ja que la disminució de la pressió del dipòsit d'heli disminueix el seu punt d'ebullició). L'1 El bany de K liqüefa el gas 3He i elimina la calor de condensació. El 3He entra aleshores a la impedància principal, un capil·lar amb una gran resistència al flux. Es refreda mitjançant l'alambic (descrit a continuació) a una temperatura de 500–700 mK. Posteriorment, el 3He flueix a través d'una impedància secundària i un costat d'un conjunt d'intercanviadors de calor a contracorrent on es refreda mitjançant un flux fred de 3He. Finalment, el 3He pur entra a la cambra de mescla, la zona més freda del dispositiu.
A la cambra de mescla, dues fases de la mescla 3He–4He, la fase concentrada (pràcticament 100% de 3He) i la fase diluïda (aproximadament 6,6% de 3He i 93,4% de 4He), estan en equilibri i separades per un límit de fase. Dins de la cambra, el 3He es dilueix a mesura que flueix des de la fase concentrada a través del límit de fase cap a la fase diluïda. La calor necessària per a la dilució és la potència de refrigeració útil del refrigerador, ja que el procés de moure el 3He a través del límit de fase és endotèrmic i elimina calor de l'entorn de la cambra de mescla. El 3He surt llavors de la cambra de mescla en fase diluïda. Al costat diluït i en l'alambic, el 3He flueix a través del superfluid 4He, que està en repòs. El 3He és impulsat a través del canal diluït per un gradient de pressió igual que qualsevol altre fluid viscós. En el seu camí ascendent, el 3He fred i diluït refreda el 3He concentrat que flueix cap avall a través dels intercanviadors de calor i entra a l'alambí. La pressió a l'alambic es manté baixa (uns 10 Pa) mitjançant les bombes a temperatura ambient. El vapor de l'alambique és pràcticament 3He pur, que té una pressió parcial molt més alta que el 4He a 500–700 mK. Es subministra calor a l'alambí per mantenir un flux constant de 3He. Les bombes comprimeixen el 3He a una pressió d'uns quants centenars de mil·libars i l'alimenten de nou al criòstat, completant el cicle.
Refrigeradors de dilució seca Els refrigeradors de dilució moderns (coneguts com a refrigeradors de dilució seca) poden prerefredar el 3 He amb un criorefrigerador en lloc de nitrogen líquid, heli líquid i un 1 Bany K. No es necessita cap subministrament extern de líquids criogènics en aquests "criostats secs" i el funcionament pot ser altament automatitzat. Tanmateix, els criòstats secs tenen un consum energètic elevat i estan subjectes a vibracions mecàniques, com les que produeixen els refrigeradors de tubs de pols. Les primeres màquines experimentals es van construir a la dècada del 1990, quan van aparèixer criorefrigeradors (comercials), capaços d'assolir una temperatura inferior a la de l'heli líquid i amb una potència de refrigeració suficient (de l'ordre d'1 Watt a 4,2 K). Els refrigeradors de tubs de pols són criorefrigeradors d'ús habitual en refrigeradors de dilució seca.
Els refrigeradors de dilució seca generalment segueixen un de dos dissenys. Un disseny incorpora una llauna de buit interior, que s'utilitza per prerefredar inicialment la màquina des de la temperatura ambient fins a la temperatura base del refrigerador de tubs de pols (utilitzant gas d'intercanvi de calor). Tanmateix, cada vegada que es refreda el refrigerador, cal fer un segell de buit que es mantingui a temperatures criogèniques i s'han d'utilitzar conductes de buit a baixa temperatura per al cablejat experimental. L'altre disseny és més exigent de realitzar, ja que requereix interruptors de calor necessaris per al prerefredament, però no cal cap vàter interior, cosa que redueix considerablement la complexitat del cablejat experimental.
Potència de refrigeració La potència de refrigeració (en watts) a la cambra de mescla ve donada aproximadament per
on és la taxa de circulació molar del 3He, Tm és la temperatura de la cambra de mescla i Ti la temperatura del 3He que entra a la cambra de mescla. Només hi haurà un refredament útil quan
Això estableix una temperatura màxima de l'últim intercanviador de calor, ja que per sobre d'aquesta tota la potència de refrigeració es consumeix només per refredar el 3He incident.
Dins d'una cambra de mescla hi ha una resistència tèrmica insignificant entre les fases pura i diluïda, i la potència de refrigeració es redueix a
Només es pot assolir una T m baixa si T i és baixa. En els refrigeradors de dilució, la Ti es redueix mitjançant intercanviadors de calor, tal com es mostra al diagrama esquemàtic de la regió de baixa temperatura anterior. No obstant això, a temperatures molt baixes això es torna cada cop més difícil a causa de l'anomenada resistència de Kapitza. Aquesta és una resistència tèrmica a la superfície entre els líquids d'heli i el cos sòlid de l'intercanviador de calor. És inversament proporcional a T4 i a la superfície d'intercanvi de calor A. En altres paraules: per obtenir la mateixa resistència a la calor cal augmentar la superfície per un factor de 10.000 si la temperatura es redueix per un factor de 10. Per aconseguir una baixa resistència tèrmica a baixes temperatures (per sota dels 30 mK), es necessita una gran superfície. Com més baixa sigui la temperatura, més gran serà la zona. A la pràctica, s'utilitza pols de plata molt fina.
Limitacions No hi ha cap límit fonamental a baixa temperatura dels refrigeradors de dilució. Tot i això, el rang de temperatura està limitat a uns 2 mK per raons pràctiques. A temperatures molt baixes, tant la viscositat com la conductivitat tèrmica del fluid circulant augmenten si es redueix la temperatura. Per reduir l'escalfament viscós, els diàmetres dels tubs d'entrada i sortida de la cambra de mescla han de ser T , i per obtenir un flux de calor baix, les longituds dels tubs haurien de ser T. Això significa que, per reduir la temperatura per un factor de 2, cal augmentar el diàmetre per un factor de 8 i la longitud per un factor de 256. Per tant, el volum s'hauria d'augmentar per un factor de 214 = 16.384. En altres paraules: cada cm³ a 2 mK es convertiria en 16.384 cm³ a 1 mK. Les màquines esdevindrien molt grans i molt cares. Hi ha una alternativa potent per a la refrigeració per sota de 2 mK: refrigeració per desmagnetització nuclear.
Referències
Categoria:Física