РАЗДЕЛ 2
СПИН - РЕШЕТОЧНАЯ РЕЛАКСАЦИЯ В РАССЛОИВШИХСЯ
СЛАБЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ 3Не - 4Не
Рефрижератор ядерного размагничивания для исследования
свойств квантовых кристаллов при сверхнизких температурах
Исследование процессов спин - решеточной релаксации проводились в специальном
рефрижераторе с ядерным размагничиванием, который был разработан и введен в
эксплуатацию во ФТИНТ НАН Украины в 1987 году [43, 44]. Установка смонтирована
на бетонном основании массой 20 т, которое изолировано от фундамента здания.
Рефрижератор ядерного размагничивания включает следующие основные 4 ступени
охлаждения:
Внешняя ванна с 4Не, имеющая температуру 4,2 К.
Рефрижератор испарения с 4Не (1 К камера), позволяющая получить в
непрерывном режиме 1,2 - 1,5 К.
Рефрижератор растворения, имеющий наружную замкнутую систему циркуляции 3Не и
обеспечивающий в непрерывном режиме температуру
10 - 20 мК.
Ступень ядерного размагничивания, позволяющая в однократном режиме понизить
температуру до ~10-3 К.
Внешняя ванна с жидким гелием расположена в гелиевом криостате без азотного
охлаждения [45]. Диаметр внутренней колбы равен 210 мм, длина - 2 метра. Расход
гелия в сутки составляет ~20 - 23 литра.
Рис. 2.1. Схематическое изображение низкотемпературной части рефрижератора с
размагничиванием меди:
1 - фланец с вакуумной рубашкой;
2 - дроссель 1 К камеры;
3 - подавитель сверхтекучей
пленки;
4 - 1 К камера;
5 - основной дроссель;
6 - камеры испарения 3Не;
7 - вторичный дроссель;
8 - фильтр 1 К камеры;
9 - непрерывный теплообменник;
10 - дискретные малые теплооб-
менники; 11 - 100 мК плита;
12 - дискретные большие теп-
лообменники;
13 - камера растворения;
14 - основной тепловой ключ;
15 - соленоид теплового ключа;
16 - медная плита; 17 - тепловая связь; 18 - экспериментальное место; 19 -
теплообменник; 20 - компенсационные катушки; 21 - ядерная ступень;
22 – основной соленоид.
Низкотемпературная часть установки отделена от внешней ванны вакуумной рубашкой
(рис. 2.1). Под фланцем вакуумной рубашки располагается 1 К камера (4), которая
заполняется жидким 4Не из внешней ванны через фильтр (8), дроссель (2) и
откачивается механическим насосом. Именно эта камера обеспечивает непрерывный
режим работы рефрижератора в течение сколь угодно длительного времени.
Рефрижератор растворения включает в себя камеру испарения 3Не (6), систему
теплообменников (9, 10, 12) и камеру растворения 3Не в 4Не (13). Рабочая
температура камеры испарения - ~ 0,6 - 0,8 К. Она выполнена из меди,
оборудована активным подавителем сверхтекучей пленки 4Не (3). Система
теплообменников состоит из непрерывного теплообменника типа спираль в трубке
(9) и блока дискретных теплообменников (10, 12) из четырех малых и двух больших
теплообменников. Поверхность теплообмена малых теплообменников составила 2м2 на
одну сторону, а в больших теплообменниках - 13,5 м2 на сторону. Между малыми и
большими дискретными теплообменниками располагается промежуточная плита с
температурой около 100 мК (11), имеющая медный теплообменник со стороны
разбавленной фазы. Камера растворения (13) вмещает в себя 125 см3 жидкости и
выполнена из нержавеющей стали. Внутри ее располагается 10 медных посеребренных
дисков с напеченным синтером суммарной площадью теплообмена 150 м2.
Во избежание попадания в рефрижератор паров воды, водорода и продуктов крекинга
вакуумного масла газообразный циркулирующий 3Не предварительно очищается в
азотной и гелиевой ловушках и попадает в теплообменник (медный капилляр с
площадью теплообмена 300 см2), находящийся в градусной ванне 4, где он
конденсируется, благодаря наличию первичного дросселя 5. При этом градусная
ванна обеспечивает непрерывность работы рефрижератора в течении сколь угодно
длительного времени, поскольку она автоматически пополняется жидким гелием из
внешней ванны через заборную трубку с фильтром 8 и дроссель 2. Подлив гелия во
внешнею ванну не изменяет стационарное распределение температур внутри
вакуумной рубашки. Далее жидкий 3Не попадает в теплообменник камеры испарения 6
(медный капилляр с площадью теплообмена 300 см2) и охлаждается до ее рабочей
температуры, а потом через вторичный дроссель 7 3Не поступает в систему
теплообменников 9 - 12 в качестве "теплой" компоненты, которая охлаждается за
счет встречного потока "холодной" компоненты. После теплообменников охлажденный
3Не попадает в камеру растворения 13, где переходит из концентрированной фазы в
разбавленную, что и приводит к генерации холода. Цикл замыкается после возврата
3Не сначала в систему теплообменников, а потом в камеру испарения, откуда пар
откачивается, находящимися при комнатной температуре вакуумными насосами.
Циркуляция 3Не в рефрижераторе растворения осуществляется бустерным
паромасляным насосом НВБМ-0,5 производительностью 750 л/с (по воздуху) и двумя
герметизированными, включенными параллельно между собой и последовательно с
выходом НВБМ-0,5, пластинчато - роторными насосами производительностью 20 и 5
л/с соответственно. Максимальная скорость циркуляции 3Не составляет 9ґ10-4
моль/с.
Зависимость между температурой камеры растворения и скоростью циркуляции 3Не
(как показали специальные измерения), хорошо описывается эмпиричным
соотношением [46] Фроссати
(2.1)
где выражено в , , в моль/с - скорость циркуляции 3Не; , К2с/моль - параметр,
обратно пропорциональный суммарной площади поверхности теплообмена
теплообменников; , Вт - мощность, выделяемая в камере растворения; , Вт -
остаточный теплоприток к камере растворения. Эксперименты, проведенные при
нескольких значениях , показали, что полученные результаты хорошо описываются
выражением (2.1) при = 0,5 К2с/моль и = 0,5 мквт.
- Київ+380960830922