раздел 2).
1.3. Тепловой ключ со сверхтекучим 4Не
Для обеспечения успешной работы двухкамерного метода непрерывного изменения
концентрации раствора, описанного в предыдущем разделе, необходим регулируемый
тепловой контакт между управляющей камерой и источником холода (камерой
испарения). Рабочая область температур ключа – 0,7 2 К. Прижимные разъемные
механические ключи [4] для этой области сложны и, как правило, вызывают большие
теплопритоки к низкотемпературным узлам рефрижератора. Сверхпроводящие тепловые
ключи хорошо работают при температурах ниже 0,5 К, а при более высоких
температурах фононная проводимость уменьшает отношение теплопроводностей ключа
в открытом и закрытом состоянии. Газовые тепловые ключи с 3Не не имеют
достаточного быстродействия, для размыкания такого ключа требуется длительная
откачка. Кроме того, 3Не имеет большую стоимость.
В работе был разработан и изготовлен тепловой ключ, в котором в качестве
рабочего вещества используется сверхтекучий 4Не [21]. Высокая конвективная
теплопроводность гелия обеспечивает прекрасную тепловую связь между камерами, а
размыкание ключа осуществляется за счет специфического явления, присущего
сверхтекучему гелию – термомеханического эффекта.
Принципиальная схема теплового ключа приведена на рисунке 1.9. Сверхтекучий 4Не
через капилляр 9 заполняет камеру ключа 1, которая через теплообменники 2 и 3
находится в тепловом контакте с охладителем 4 и охлаждаемым объектом 5.
Теплообменники были выполнены из спеченного медного порошка и имели площадь
теплообмена 1 м2. Камера ключа изготовлена в виде трубки из нержавеющей стали
диаметром 4 мм и длиной 35 см. Для удаления сверхтекучего 4Не, т.е. размыкания
ключа, используется термомеханический насос 7, который представляет собой
сверхщель с
Рис. 1.9. Принципиальная схема теплового ключа со сверхтекучим 4Не: 1 – камера
ключа; 2,3 – спеченные теплообменники; 4 – ступень охлаждения; 5 – охлаждаемый
объект; 6 – соединительный капилляр; 7 – сверхтекучая щель с нагревателем; 8 –
адсорбционный насос; 9 – капилляр заполнения.
нагревателем. При включении нагревателя под действием термомеханической
разности давлений 4Не перетекает из камеры теплового ключа в капилляр
заполнения, повышая в нем давление. Это избыточное давление понижают путем
откачки 4Не адсорбционным насосом 8.
Для определения теплового сопротивления ключа в открытом и закрытом положении
были проведены тестовые испытания. В ходе эксперимента измеряли температуры
источника холода (камеры испарения) и охлаждаемой управляющей камеры при
различной мощности, выделяемой на ее нагревателе. Тепловое сопротивление ключа
определяли из отношения
(1.10)
Если ключ был полностью заполнен гелием, то его тепловое сопротивление росло с
понижением температуры по закону: R1 = 120 [K4/Bт] / T3. При возникновении
разности температур, наличие двух видов движения в сверхтекучем 4Не приводит к
появлению конвективных противотоков нормальной и сверхтекучей компонент.
Благодаря этому передача тепла происходит очень эффективно, а сложный характер
возникающих при этом процессов приводит к отклонениям от обычно наблюдающейся
линейной зависимости между тепловым потоком и градиентом температуры.
Эффективность теплопереноса конвективными потоками нормальной и сверхтекучей
компонент быстро падает при понижении температуры, и ниже
1 К передача тепла осуществляется благодаря теплопроводности газа фононов. Тем
не менее, в свободном, неограниченном гелии теплопередача всегда достаточно
высока, а на тепловые потоки оказывают влияние другие причины и прежде всего
сопротивление Капицы Rk – скачок температуры на границе между жидким гелием и
твердым телом. С помощью литературных данных о Rk между 4Не и медью [4] можно
оценить, что в нашем случае эффективно работает только 65 см2 поверхности
теплообменника ключа.
В разомкнутом откачанном состоянии ключа для обычного газа теплопередача
определялась бы давлением остаточного газа в объеме ключа, в нашем же случае
она определяется теплопереносом по сверхтекучей пленке 4Не. Тепловое
сопротивление ключа в разомкнутом состоянии оказалось равным R2 = 9000 K/Bт и
слабо зависело от температуры.
Таким образом, коэффициент переключения теплового ключа со сверхтекучим 4Не при
температуре 1,4 К составил 200 и уменьшался с понижением температуры. На
практике, в процессе эксперимента оказалось возможным подобрать в ключе
оптимальное количество вещества так , что было обеспечено охлаждение
управляющей камеры и, вместе с тем, при ее нагреве камера испарения не
перегревалась.
1.4. Холодный клапан для сверхтекучего гелия
В экспериментах с жидким гелием во многих случаях необходима изоляция образца
от линии заполнения, особенно это важно в экспериментах со сверхтекучим гелием.
Обычно линию заполнения перекрывают с помощью холодного клапана, расположенного
в низкотемпературной части рефрижератора вблизи ячейки. Описанные в литературе
криогенные клапаны с гидравлическим управлением, как правило, содержат один или
два сильфона, которые обеспечивают плавное поступательное движение запирающей
иглы [22,23]. Кроме значительных размеров, недостатком таких конструкций
является большая теплоемкость жидкого гелия, заполняющего мертвые объемы
сильфонов и высокая стоимость самих сильфонов. Для минимизации конструкции и ее
удешевления в работе был разработан, изготовлен и испытан новый тип криогенного
клапана [24], в котором для управления вместо сильфонов была использована
гибкая мембрана.
Кроме выбора управляющего элемента, другим важным вопросом при конструировании
криогенного клапана является выбор мат
- Київ+380960830922