Refrigerador de disolución

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El refrigerador de dilución es un dispositivo criogénico iniciado por Heinz London . El proceso de enfriamiento utiliza una mezcla de dos isótopos de helio : 3 He y 4 He . Cuando se enfría por debajo de 700 mK, la mezcla experimenta una separación de fase espontánea , formando fases: rica en 3 He y rica en 4 He.

Al igual que en el enfriamiento por evaporación, la transferencia de átomos de 3 He desde la fase rica en 3 He a la fase rica en 4 He requiere energía. Si los átomos de 3 He se ven obligados a cruzar continuamente el límite de fase, la mezcla se enfriará efectivamente. Debido a que la fase rica en 4He no puede contener menos del 6% de 3He, incluso a temperatura cero absoluta en equilibrio, el refrigerador de dilución puede ser eficiente a temperaturas muy bajas. El recipiente en el que tiene lugar este proceso se denomina cámara de mezcla .

La aplicación más simple es un refrigerador de dilución "desechable". En el modo de disparo único, un gran volumen de 3 He se mueve gradualmente a través del límite de fase hacia una fase rica en 4 He. Cuando todo el suministro de 3 He está en la fase rica en 4 He, el frigorífico no puede seguir funcionando.

Con mucha más frecuencia, los refrigeradores de dilución funcionan en un ciclo continuo. La mezcla de 3 He / 4 He se licua en un condensador , que se conecta mediante un estrangulador a la zona de la cámara de mezcla rica en 3 He. Los 3 átomos de He que pasan por el límite de fase toman energía del sistema. Además, se debe distinguir entre refrigeradores de dilución con bombeo externo e interno. En el primer caso, los vapores de 3 He son bombeados por una bomba de alto vacío ( turbomolecular o de difusión ). En el segundo, una bomba de sorción. Los refrigeradores de dilución con bombeo externo brindan más capacidad de enfriamiento, pero requieren más 3 He. El 3 He bombeado , a veces purificado, se devuelve al condensador .

Los refrigeradores de dilución de ciclo continuo se usan comúnmente en experimentos de física a baja temperatura.

Capacidad frigorífica

La potencia de enfriamiento (en Watts ) en la cámara de mezcla se puede calcular aproximadamente usando la siguiente fórmula:

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

donde es la tasa de circulación de 3 He , T m es la temperatura en la cámara de mezclado y Ti es la temperatura del 3 He que ingresa a la cámara de mezclado. [1] En caso de que la carga de calor sea cero, existe una relación fija entre las dos temperaturas: ${\dot {n}}_{3}$

$T_{m}={\frac {T_{i}}{2.8}}.$

Puede verse a partir de esta relación que sólo se puede lograr una T m baja si T i también es pequeña. En el frigorífico de dilución, esta última se reduce mediante intercambiadores de calor. Sin embargo, a temperaturas muy bajas esto se vuelve bastante difícil debido al llamado arrastre Kapitsa . Esta es la resistencia térmica en la interfaz entre el helio líquido y la superficie del intercambiador de calor. Es inversamente proporcional a T 4 y al área superficial de intercambio de calor A . En otras palabras: la resistencia térmica cuando el área de la superficie aumenta en un factor de 10,000 permanece igual si la temperatura se reduce en un factor de 10. Así, para obtener una baja resistencia térmica a bajas temperaturas (por debajo de 30 mK), se requiere una superficie muy grande del intercambiador de calor. En la práctica, se utiliza para este fin polvo de plata muy finamente dispersado. Esto fue propuesto por primera vez por el profesor J. Frossati en 1970. [2] La empresa que fundó es ahora un fabricante líder de refrigeradores de dilución y otros productos de refrigeración de alta gama. [3]

Restricciones

No existe una limitación fundamental sobre la temperatura mínima alcanzable en los refrigeradores de dilución. Sin embargo, el rango de temperatura está limitado a aproximadamente 2 mK por razones prácticas: cuanto menor sea la temperatura del fluido en circulación, mayor será su viscosidad y conductividad térmica . Para reducir el calor de la fricción interna en un líquido viscoso, los diámetros de las boquillas de entrada y salida de la cámara de mezcla deben ser T m −3 , y para reducir la transferencia de calor, la longitud de la tubería debe ser T m −8 . Esto significa que para reducir 2 veces la temperatura, es necesario aumentar 8 veces el diámetro y 256 veces la longitud. Por lo tanto, el volumen debe incrementarse en 2 14 = 16384 veces. En otras palabras: cada cm 3 a 2 mK requiere 16,384 litros por 1 mK. Como resultado, el frigorífico será muy grande y muy caro. Para el enfriamiento a temperaturas inferiores a 2mK, existe una alternativa: la desmagnetización adiabática nuclear .

Véase también

Notas

↑ Pobel, Frank. Materia y Métodos a Bajas Temperaturas. // Berlín: Springer-Verlag.. - 2007. - S. 461 .
↑ Acerca de Leiden Cryogenics (enlace inaccesible) . Consultado el 9 de diciembre de 2014. Archivado desde el original el 20 de diciembre de 2014. (indefinido)
↑ Acerca de Leiden Cryogenics (en ruso) . Fecha de acceso: 9 de diciembre de 2014. Archivado desde el original el 14 de diciembre de 2014. (indefinido)

Enlaces

El principio de funcionamiento del refrigerador de dilución.