EFEKT POMERAŃCZUKA I HELOWE CHŁODZIARKI ROZCIEŃCZALNIKOWE

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Anna Radzicka Numer Albumu: EFEKT POMERAŃCZUKA I HELOWE CHŁODZIARKI ROZCIEŃCZALNIKOWE TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE dr inż. Waldemar Targański Gdańsk 2013

2 W przyrodzie wstępują tylko dwa stabilne izotopy helu: 3 He i 4 He. W pozyskiwanym z gazu ziemnego 4 He udział izotpu 3 He jest rzędu 0,1ppm. Praktycznie cały izotop 3 He uzyskiwany jest w wyniku reakcji jądrowej, polegającej na rozpadzie litu bombardowanego neutronami. Izotop 3 He stosowany jest do uzyskiwania temperatur niższych od 1 K w chłodziarkach rozcieńczalnikowych, sorpcyjnych oraz w chłodziarkach wykorzystujących efekt Pomerańczuka. W zastosowaniach technicznych praktycznie 3 He nie występuje. I. HELOWE CHŁODZIARKI ROZCIEŃCZALNIKOWE W 1951 roku H. London zasugerował nową metodę osiągania bardzo niskich temperatur, opartą na efektach cieplnych towarzyszących dodawaniu ciekłego lekkiego izotopu 3 He do nadciekłego izotopu 4 He. Helowymi chłodziarkami rozcieńczalnikowymi nazywamy urządzenia, w których do otrzymywania bardzo niskich temperatur, został wykorzystany efekt rozcieńczania 3 He w 4 He. Otrzymuje się temperatury rzędu około 0,01 K. Rozcieńczanie 3 He w 4 He Procesowi rozcieńczania 3 He w nadciekłym 4 He towarzyszą efekty cieplne wynikające z faktu, że 4 He ma zerowy spin jądrowy i podlega kwantowej statystyce Bosego-Einsteina, podczas gdy spin 3 He wynosi 1 / 2 i gaz ten podlega statystyce Fermiego-Diraca. Poniżej temperatury 2,17 K 4 He przechodzi w stan nadciekły, charakteryzujący się prawie zerową lepkością oraz bardzo silnie malejącą entropią. Poniżej 1 K entropia 4 He jest praktycznie równa zeru. Natomiast w 3 He porządkowanie zachodzi równomiernie wraz z obniżaniem się temperatury. W temperaturach poniżej 1 K entropia 3 He jest znacznie wyższa od entropii nadciekłego 4 He. Rozcieńczanie 3 He w nadciekłym 4 He, w temperaturach poniżej 1 K, powoduje tworzenie się silnie rozrzedzonego gazu z atomów 3 He w obojętnym środowisku nadciekłego 4 He. Proces rozcieńczania prowadzi do zmiany uporządkowanie w 3 He, co skutkuje wzrostem entropii 3 He w warunkach izotermicznych. Możliwość zbudowanie chłodziarki pracującej w sposób ciągły i wykorzystującej efekt rozcieńczania 3 He w 4 He wynika z właściwości mieszaniny tych izotopów. Poniżej temperatury 0,827 K następuje spontaniczne rozdzielenie roztworu 3 He- 4 He na dwie fazy ciekłe oddzielone meniskiem: fazę bogatą w 3 He pozostającą w stanie normalnym, oraz fazę ubogą w 3 He i pozostającą w stanie nadciekłym. Faza bogata w 3 He ma mniejszą gęstość i w naczyniu znajduje się powyżej fazy bogatej w 4 He. Powyżej krzywej rozdziału roztwór znajduje się w stanie normalnym lub nadciekłym, zależnie od temperatury i koncentracji. 2

3 Rys. 1. Wykres fazowy mieszaniny 3 He - 4 He przy ciśnieniu par nasyconych. Zazwyczaj komora, w której następuje rozdzielenie faz, znajduje się w temperaturze T < 0,1 K. W tej temperaturze fazę normalną stanowi prawie wyłącznie czysty 3 He (stężenie 3 He wynosi 0,9997), podczas gdy stężenie 3 He w fazie nadciekłej wynosi około 0,07. Istotne jest, że nawet w temperaturze zera bezwzględnego, stężenie 3 He w fazie ubogiej w ten izotop jest większe od zera i wynosi 0,064. Ta własność roztworu umożliwiła budowę chłodziarek rozcieńczalnikowych pracujących w sposób ciągły. 3

4 Zasada działania chłodziarki rozcieńczalnikowej Rys. 2. Zasada działania chłodziarki rozcieńczalnikowej: 1 zbiornik ciekłęgo Rozcieńczanie 3 He w 4 He; 2 kapilarna rurka; 3 wymiennik ciepła; 4 komora parownai Rozcieńczanie 3 He w 4 He z roztworu; 5 rekuperacyjny wymiennik ciepła; 6 komora mieszania; 7 kriostatowana próbka; 8 grzejnik komory parowania. Gazowy 3 He o ciśnieniu około 80 kpa jest wstępnie ochładzany poprzez przetłoczenie przez wannę z helem wrzącym pod ciśnieniem i wannę z helem wrzącym pod obniżonym ciśnieniem. W efekcie temperatura 3 He obniża się do około1,5 K i gaz ten zostaje skroplony w zbiorniku 1. Skroplony 3 He przepływa przez rurkę kapilarną 2, która służy do obniżenia ciśnienia i uregulowania natężenia przepływu. Następnie strumień 3 He przepływa przez wymiennik 3, pozostający w kontakcie cieplnym z komorą parowania 4, napełnioną mieszaniną 3 He- 4 He o temperaturze około 0,7 K. W tej temperaturze prężność par 4 He jest praktycznie równa zeru i w komorze 4 paruje praktycznie czysty 3 He. Po opuszczeniu wymiennika ciepła 3, skroplony 3 He wpływa do rekuperacyjnego wymiennika 5, w którym następuje jego dalsze oziębianie poprzez wymianę ciepła ze strumieniem powrotnym roztworu bogatego w 3 He. W tym wymienniku ciepła ciekły 3 He osiąga temperaturę równą kilku do kilkudziesięciu mk i wpływa do komory mieszania 6. W komorze mieszania następuje rozdzielenie faz ciekłych i rozcieńczenie 3 He w nadciekłej fazie bogatej w 4 He, co 4

5 prowadzi do uzyskania efektów cieplnych procesu. W zależności od warunków zachodzenia procesu rozcieńczania, przejście 3 He z fazy bogatej w ten izotop do fazy ubogiej w ten izotop daje: - obniżenie temperatury ( w warunkach adiabatycznych), - wytworzenie mocy chłodniczej ( w warunkach izotermicznych). Z komory mieszania ciecz jest kierowana poprzez wymiennik 5 do komory parowania 4, skąd gazowy 3 He jest odpompowywany pompą próżniową, wstępnie sprężany do ciśnienia wynoszącego około 80kPa i ponownie kierowany do obiegu. Odpowiednie ciśnienie par 3 He w komorze parowana 4, wynoszące około 0,6 kpa, jest utrzymywane pompą próżniową. Moc chłodnicza chłodziarki rozcieńczalnikowej może być określona na podstawie różnicy entalpii strumienia 3 He na wlocie do komory mieszania i po procesie rozcieńczania. Ciepło pochłonięte w procesie rozcieńczania wynosi: Entalpia czystego 3 He wynosi: Entalpia roztworu 3 He w 4 He wynosi: Q = n 3He (h 3HeRozc h 3He ) h 3He = 12T 2 [J/mol] h 3HeRozc = 94T 2 [J/mol] Zgodnie z równaniem na ciepło pochłonięte w procesie rozcieńczania, wydajność chłodnicza w procesie rozcieńczania jest równa: Q = n 3He (94T 2 12T 2 )= n 3He 82T 2 gdzie n ilość moli cyrkulujących w jednostce czasu. W chłodziarce rozcieńczalnikowej możliwe jest, przy zachowaniu adiabatyczności procesu, trzykrotne obniżenie temperatury gazu wpływającego do komory mieszania. Ze względu na dopływ ciepła do komory mieszania, moce chłodnicze budowanych chłodziarek rozcieńczalnikowych rozwijane przy temperaturze 0,1 K (100 mk) są 3-5 razy mniejsze od mocy teoretycznej. Minimalna temperatura osiągnięta przy wykorzystaniu chłodziarki rozcieńczalnikowej wynosi około 0,01 K (10 mk). W istniejących chłodziarkach rozcieńczalnikowych cyrkulacja 3 He wynosi około n = 0,0001 mol/s, wydajność chłodnicza w temperaturze T = 0,1 K wynosi ~ 0,2 mw, a w temperaturze T = 0,01K spada o rząd i wynosi około 0,01 mw. 5

6 II. EFEKT POMERAŃCZUKA Podstawą możliwości wykorzystania adaibatycznego zestalania 3 He do uzyskiwania bardzo niskich temperatur jest osobliwy przebieg krzywej topnienia tego izotopu helu (przedstawiony na rysunku nr 3). Przy temperaturach wyższych od 300 mk krzywa topnienia wykazuje typowe dla normalnych substancji nachylenie (tzn. ciśnienie topnienia maleje wraz ze spadkiem temperatury). Natomiast poniżej temperatury 300 mk ciśnienie topnienia zaczyna wzrastać wraz z obniżaniem się temperatury. Minimum krzywej topnienia występuje przy temperaturze 319 mk oraz przy ciśnieniu 2,931 MPa. Rys.3. Zależność entropii od temperatury oraz wykres fazowy 3 He. W konsekwencji adiabatyczne zestalanie 3 He wzdłuż linii topnienia przy coraz to wyższym ciśnieniu skutkuje obniżeniem temperatury. Rosyjski fizyk Pomerańczuk, w 1950 roku, zwrócił uwagę na taki sposób uzyskiwania bardzo niskich temperatur, stąd też adiabatyczne zestalanie 3 He powiązane z obniżaniem temperatury nazywane jest efektem Pomerańczuka. Efekt Pomerańczuka pozwala na skonstruowanie chłodziarek umożliwiających uzyskiwanie tak niskich temperatur jak około 1 2 mk. Możliwe jest to dzięki temu, że entropia zestalonego 3 He pozostaje stała w zasadzie aż do 2 mk. Wykorzystanie efektu Pomerańczuka w chłodziarkach wymaga wstępnego oziębienia ciekłego 3 He do temperatury T < 0,32 K (np. przy pomocy chłodziarki rozcieńczalnikowej), a 6

7 następnie poddania cieczy działaniu coraz to wyższemu ciśnieniu i jej częściowego zestalenia przy zachowaniu stałej sumarycznej entropii fazy ciekłej i stałej. W chłodziarkach Pomerańczuka zawsze dąży się do możliwie dużej ilości cieczy pozostającej w komorze ciśnieniowej, co pozwala na szybkie wyrównanie temperatury w całej komorze oraz pozwala uniknąć kruszenia zestalonych kryształów i rozproszenia energii mechanicznej w postaci ciepła. Pierwsza chłodziarka wykorzystująca efekt Pomerańczuka została skonstruowana w roku 1965 przez Anufriyeva. Budowa chłodziarek Pomerańczuka wymagała rozwiązania dwóch technicznych problemów: - pierwszy, związany był ze sprężeniem ciekłego 3 He, które wiąże się z wykonaniem pracy mechanicznej podanej wzorem: W = - n s p(v s v c ) Stosunek pracy mechanicznej do wydajności chłodniczej chłodziarki został przedstawiony na poniższym wykresie. Z wykresu wynika, że stosunek ten jest zawsze większy od 10, a przy temperaturach niższych od 8mK osiąga wartości większe od 100. WYKRES Oznacza to, że już w przypadku niewielkich nieodwracalności procesu i rozproszeniu w postaci ciepła setnych części wykonanej pracy, np. na skutek tarcia części mechanicznych chłodziarki, efekt chłodniczy może zostać całkowicie zniweczony. - drugi problem techniczny stanowiło przeniesienie wysokiego ciśnienia do wnętrza komory eksperymentalnej. Problem rozwiązano poprzez skonstruowanie komór podlegających całościowemu ściskaniu po osiągnięciu w nich ciśnienia 29,3 bar. W przekazywaniu ciśnienia na elastyczną komorę z 3 He pośredniczy 4 He (rozwiązanie to zostało przedstawione na rysunku nr 4). 7

8 Rys.4. Zasada budowy chłodziarki Pomerańczuka; 1 - pomocnicza chłodziarka rozcieńczalnikowa; 2 - wymienniki ciepła; 3 elastyczna komora sprężania 3 He. Rys.5. Schemat konstrukcyjny chłodziarki Pomerańczuka. 8

9 Chłodziarki Pomerańczuka stosuje się wtedy, gdy przedmiotem badań jest sam zestalony 3 He. Używanie ich do pośredniego ziębienia innych materiałów umieszczonych poza komorą krystalizacji powoduje konieczność pokonania oporu cieplnego Kapicy oraz uwzględnienie złego przewodnictwa zestalonego 3 He. Literatura: 1. Kriogenika. Podstawy i zastosowania Maciej Chorowski 2. Technologie kriogeniczne wykład Maciej Chorowski 3. Technika niskich temperatur Russell B. Scott