稀释制冷

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    稀释制冷机是1962年首先由Heinz London提出的,它的制冷过程中使用了氦的二种稳定同位素3He和4He的混合物作为制冷剂。这个过程要依赖3He和4He特殊的热力学特征。

    氦是所有气体中沸点最低的,是最难液化的气体。氦在大气中含量极低,只有5×10-6体积分数左右。在极低温下,液氦具有量子性质,即粘度很小,仅为10-12Pa•s左右,具有极好的超流动性, 流动几乎没有阻力。同时,导热系数非常大,比铜大104倍,因此在超流液氦中不可能形成温度梯度。氦由二种稳定同位素3He和4He组成。正常的氦气里仅含1.3×10-63He,因此,除非特别说明,一般均指4He。4He在2.172K以下,具有超流动性,而3He的超流动性要将温度降到0.003K时才显示出来。在极低温下,液体3He和4He混合时具有吸热效应,这些特性被用于稀释制冷机中。

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    Heinz London, German (1907-1970)

    低温下3He和4He的液氦混合物相图显示,3He和4He的混合物可以是正常液体、超液体、正常液体和超流体的两相混合物,取决于混合物的浓度和温度。稀释冷却只可能发生在低于三相点温度的地方。

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    低温下3He/4He液相混合物相图

    在低于三相点(0.87K)的温度下,3He/4He液相混合物将由相界面分成两个不同浓度的液相。一个相主要含有3He,因此被称为3He的浓缩相,对应于从图的右下角至三相点的相平衡线。一个相主要含有3He,因此被称为4He的浓缩相,对应于从图的左下角至三相点的相平衡线。不论什么温度下,总是至少含有6%的3He。

    油和水的混合物在一起是一个很好的例子,可以说明这种状态。如果维持油水混合物在一个较高的温度,油和水将保持均匀混合。但是,如果降低温度,油会与水分开且浮在上面,仔细分析后发现油中有少量水存在,反之,水中有少量油存在,即这是含有两个不同油水混合物浓度的两相混合物。

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    含有两个不同油/水混合物浓度的两相混合物

    如同液体蒸发相变制冷,需要额外的能源把3He原子从3He的浓缩相运输到3He 稀缺相(4He的浓缩相)。如果3He原子可不断跨越这个界限,则可有效地冷却3He和4He混合物。由于3He稀缺相即使在绝对零度也不能的6%,因此,可以在极低的温度下进行有效的稀释制冷。这个过程发生的地方被称为混合室。

    最简单的应用是间歇式稀释制冷机,首先收集大量的3He浓缩相混合物液体,然后将逐渐把3He移到3He的稀缺相进行稀释制冷,一旦所有的3He处于3He稀缺相,制冷过程就停止了。

    通常采用连续运行的稀释制冷机。3He浓缩相混合物在冷凝器中首先液化,然后流到在混合室中,3He从3He浓缩相迁移到3He稀缺相中,产生制冷量,然后3He稀缺相混合物液体在蒸发器(Still)中蒸发,成为3He浓缩相气体混合物,被压缩机加压后返回到冷凝器,开始再次循环。

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    连续氦稀释制冷原理

    氦稀释制冷机具有连续制冷、操作方便、稳定可靠、不用磁场就可获得mK级低温的特点,为低温物理学研究提供了便利。现已制成能获得约0.005K低温的间歇式稀释制冷机,在连续制冷系统中可达到0.01K。

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    连续氦稀释制冷机

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