Un refrigerador de dilución de 3 He/ 4 He es un dispositivo criogénico que proporciona enfriamiento continuo a temperaturas tan bajas como 2 mK , sin partes móviles en la región de baja temperatura. [1] [2] La potencia de enfriamiento la proporciona el calor de la mezcla de los isótopos de helio-3 y helio-4 .
El refrigerador de dilución fue propuesto por primera vez por Heinz London a principios de la década de 1950 y se realizó experimentalmente en 1964 en el Laboratorio Kamerlingh Onnes de la Universidad de Leiden . [3] Zu et al. analizan el campo de la refrigeración por dilución. [4]
El proceso de refrigeración utiliza una mezcla de dos isótopos de helio : helio-3 y helio-4 . Cuando se enfría por debajo de aproximadamente 870 milikelvins , la mezcla experimenta una separación de fases espontánea para formar una fase rica en 3He (la fase concentrada) y una fase pobre en 3He (la fase diluida). Como se muestra en el diagrama de fases, a temperaturas muy bajas la fase concentrada es esencialmente 3He puro , mientras que la fase diluida contiene aproximadamente 6,6% de 3He y 93,4% de 4He . El fluido de trabajo es 3He , que se hace circular mediante bombas de vacío a temperatura ambiente.
El 3He entra en el criostato a una presión de unos pocos cientos de milibares . En el refrigerador de dilución clásico (conocido como refrigerador de dilución húmeda ), el 3He se preenfría y se purifica con nitrógeno líquido a 77 K y un baño de 4He a 4,2 K. A continuación, el 3He entra en una cámara de vacío donde se enfría aún más a una temperatura de 1,2-1,5 K mediante el baño de 1 K , un baño de 4He bombeado al vacío (ya que la disminución de la presión del depósito de helio deprime su punto de ebullición). El baño de 1 K licúa el gas 3He y elimina el calor de condensación . Luego, el 3He entra en la impedancia principal, un capilar con una gran resistencia al flujo. Se enfría mediante el alambique (descrito a continuación) a una temperatura de 500-700 mK. Posteriormente, el 3He fluye a través de una impedancia secundaria y un lado de un conjunto de intercambiadores de calor a contraflujo donde es enfriado por un flujo frío de 3He . Finalmente, el 3He puro ingresa a la cámara de mezcla, la zona más fría del dispositivo.
En la cámara de mezcla, dos fases de la mezcla 3He– 4He , la fase concentrada (prácticamente 100% 3He ) y la fase diluida (aproximadamente 6,6% 3He y 93,4% 4He ), están en equilibrio y separadas por un límite de fases. Dentro de la cámara, el 3He se diluye a medida que fluye desde la fase concentrada a través del límite de fases hacia la fase diluida. El calor necesario para la dilución es la potencia de refrigeración útil del refrigerador, ya que el proceso de mover el 3He a través del límite de fases es endotérmico y elimina calor del entorno de la cámara de mezcla. El 3He luego sale de la cámara de mezcla en la fase diluida. En el lado diluido y en el alambique, el 3He fluye a través del superfluido 4He que está en reposo. El 3He es impulsado a través del canal diluido por un gradiente de presión al igual que cualquier otro fluido viscoso. [5] En su camino hacia arriba, el 3He frío y diluido enfría el 3He concentrado que fluye hacia abajo a través de los intercambiadores de calor y entra en el alambique. La presión en el alambique se mantiene baja (aproximadamente 10 Pa) mediante bombas a temperatura ambiente. El vapor en el alambique es prácticamente 3 He puro, que tiene una presión parcial mucho más alta que el 4 He a 500–700 mK. Se suministra calor al alambique para mantener un flujo constante de 3 He. Las bombas comprimen el 3 He a una presión de unos pocos cientos de milibares y lo devuelven al criostato, completando el ciclo.
Los refrigeradores de dilución modernos pueden preenfriar el 3 He con un crioenfriador en lugar de nitrógeno líquido, helio líquido y un baño de 1 K. [6] No se necesita un suministro externo de líquidos criogénicos en estos "criostatos secos" y la operación puede ser altamente automatizada. Sin embargo, los criostatos secos tienen altos requisitos de energía y están sujetos a vibraciones mecánicas, como las producidas por los refrigeradores de tubo de pulso . Las primeras máquinas experimentales se construyeron en la década de 1990, cuando estuvieron disponibles los crioenfriadores (comerciales) , capaces de alcanzar una temperatura inferior a la del helio líquido y con suficiente potencia de enfriamiento (del orden de 1 vatio a 4,2 K). [7] Los enfriadores de tubo de pulso son crioenfriadores de uso común en refrigeradores de dilución secos.
Los refrigeradores de dilución en seco generalmente siguen uno de dos diseños. Un diseño incorpora un recipiente de vacío interno, que se utiliza para enfriar inicialmente la máquina desde la temperatura ambiente hasta la temperatura base del enfriador de tubo de pulso (utilizando gas de intercambio de calor). Sin embargo, cada vez que se enfría el refrigerador, se debe hacer un sello de vacío que se mantenga a temperaturas criogénicas y se deben utilizar pasamuros de vacío de baja temperatura para el cableado experimental. El otro diseño es más exigente de realizar, ya que requiere interruptores de calor que son necesarios para el preenfriamiento, pero no se necesita un recipiente de vacío interno, lo que reduce en gran medida la complejidad del cableado experimental.
La potencia de enfriamiento (en vatios) en la cámara de mezcla viene dada aproximadamente por
donde es la velocidad de circulación molar de 3 He, T m es la temperatura de la cámara de mezcla y T i es la temperatura del 3 He que entra en la cámara de mezcla. Solo habrá enfriamiento útil cuando
Esto establece una temperatura máxima del último intercambiador de calor, ya que por encima de esta temperatura toda la potencia de enfriamiento se consume únicamente para enfriar el 3He incidente .
Dentro de una cámara de mezcla hay una resistencia térmica insignificante entre las fases pura y diluida, y la potencia de enfriamiento se reduce a
Una T m baja sólo se puede alcanzar si T i es baja. En los refrigeradores de dilución, T i se reduce utilizando intercambiadores de calor como se muestra en el diagrama esquemático de la región de baja temperatura anterior. Sin embargo, a temperaturas muy bajas esto se vuelve cada vez más difícil debido a la llamada resistencia Kapitza . Esta es una resistencia térmica en la superficie entre los líquidos de helio y el cuerpo sólido del intercambiador de calor. Es inversamente proporcional a T 4 y al área de superficie de intercambio de calor A . En otras palabras: para obtener la misma resistencia térmica se necesita aumentar la superficie por un factor de 10.000 si la temperatura se reduce por un factor de 10. Para obtener una resistencia térmica baja a bajas temperaturas (por debajo de unos 30 mK), se necesita un área de superficie grande. Cuanto menor sea la temperatura, mayor será el área. En la práctica, se utiliza polvo de plata muy fino.
No existe una temperatura límite fundamental para los refrigeradores de dilución. Sin embargo, el rango de temperatura está limitado a aproximadamente 2 mK por razones prácticas. A temperaturas muy bajas, tanto la viscosidad como la conductividad térmica del fluido circulante aumentan si se reduce la temperatura. Para reducir el calentamiento viscoso, los diámetros de los tubos de entrada y salida de la cámara de mezcla deben ser como T-3
my para obtener un flujo de calor bajo, las longitudes de los tubos deben ser T-8
millones. Esto significa que, para reducir la temperatura en un factor 2, se necesita aumentar el diámetro en un factor 8 y la longitud en un factor 256. Por lo tanto, el volumen debe aumentarse en un factor 2 14 = 16.384. En otras palabras: cada cm3 a 2 mK se convertiría en 16.384 cm3 a 1 mK. Las máquinas serían muy grandes y muy caras. Existe una alternativa poderosa para enfriar por debajo de los 2 mK: la desmagnetización nuclear .
![{\displaystyle {\dot {Q}}_{m}\;[{\text{W}}]=\left({\dot {n}}_{3}\;[{\text{mol/s}}]\right)\left(95(T_{m}\;[{\text{K}}])^{2}-11(T_{i}\;[{\text{K}}])^{2}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6e6f990a74377f4ae6ab2838b0a05da270ba3a6f)
![{\displaystyle {\dot {Q}}_{m}\;[{\text{W}}]=84\left({\dot {n}}_{3}\;[{\text{mol/s}}]\right)(T\;[{\text{K}}])^{2}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3ebbf3129df00cffb4e0641db0a086c658317167)