DE10201586C1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufrechterhaltung von tiefsten Temperaturen zwischen 10 mK und 100 mK - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufrechterhaltung von tiefsten Temperaturen zwischen 10 mK und 100 mKInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufrechterhaltung von tiefsten Temperaturen zwischen 10 mK und 100 mK über große Zeiträume zur störungsfreien Kühlung von Proben über ein 3He/4He-Lösungskryostaten mit Adsorptionspumpen, Wärmeleiter, Wärmeschalter, 3He-Wanne, 4He-Wanne, Kondensator, einem Verdampfer, einer Lösungskammer, einem Wärmetauscher. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des bekannten Standes der Technik vermieden werden und mit denen kleinere und einfacher als bisher zu bedienende Anlagen im Wesentlichen störungsfrei und verlustfrei eine Temperatur zwischen 10-100 mK kontinuierlich und zeitlich unbegrenzt konstant gehalten werden kann, die sich auch während der Regeneration der beiden Adsorptionspumpen nicht ändert, wird dadurch gelöst, dass alle Komponenten des Lösungskryostaten in einem geschlossenen System derart angeordnet werden, dass keinerlei Gasverbindungen nach außen bestehen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur kontinuierlichen Aufrechterhaltung von tiefsten
Temperaturen zwischen 10 mK und 100 mK gemäß dem
Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4.
Zur Erzeugung von Temperaturen unter 100 mK werden seit
längerer Zeit 3He3/4He-Lösungskryostaten kommerziell herge
stellt und angeboten.
Dabei handelt es sich um große Tieftemperaturanlagen, die
aus dem eigentlichen Kryostaten und einer umfangreichen
Peripherie, die eine externe Umwälzpumpe für das 2He-Gas,
eine Pumpe zur Erzeugung von 1 K in einem 4He-Bad, sowie
Vakuumpumpen für das Isolationsvakuum und zur Spülung der
Anlage umfasst, bestehen.
Nach dem Abkühlen, innerhalb von 1-2 Tagen, kann mit einer
solchen Anlage mehrere Tage gearbeitet werden.
Durch die Strömung der Gase aus dem kalten Bereich mit mK-
Temperaturen in die Pumpen, die sich auf Zimmertemperatur
befinden, sind Verstopfungen der Leitungen, deren
Beseitigung ein Aufwärmen erfordert, nicht zu vermeiden.
Die bekannten Anlagen haben Abmessungen bis zu einigen
Metern Höhe, eine Masse bis zu 100 kg und müssen von
wissenschaftlichem Personal bedient werden. Es handelt sich
dabei um reine Forschungsgeräte.
Es ist auch bekannt, zum Umwälzen des 3He-Gases Adsoptions
pumpen im Inneren des Kryostaten einzusetzen (V. S. Edelman,
Cryogenics 12, 385 (1972), "A Dilution Refrigerator with
Condensation Pump ".
Dabei werden zwei Adsorptionspumpen wechselseitig genutzt.
Während die eine Pumpe das 3He-Bad abpumpt, wird die andere
Pumpe regeneriert.
Beim Austausch der Pumpen wird der Gasstrom durch Ventile
meist von außen umgeschaltet. Zur Regeneration der Pumpen
wird ihr thermischer Kontakt zum 4.2 K-Bad durch einen
Wärmeschalter unterbrochen, so dass das adsorbierte He3 aus
der gefüllten Pumpe ausgeheizt werden kann. Andere externe
Komponenten des vorher genannten Systems bleiben auch bei
diesen Anlagen erhalten, insbesondere die 4He-Pumpe
befindet sich außerhalb des Kryostaten. Durch die
bestehenden Gasverbindungen nach außen sind Wärmeverluste
unvermeidbar.
Aus DD 274 339 A3 ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem
in einem Vakuumraum eine 4He-Wanne und eine Mischkammer
angeordnet sind, die sich in einem 4He-Bad befindet. Die
4He-Wanne ist sowohl am Einlass zum äußeren 4He-Bad offen
als auch am Ausgang über der Adsorptionspumpe, wo das 4He-
Gas aus dem Vakuumbehälter austritt. Die 3He-Wanne dient
allein zum Start des Kühlvorganges. Mit der Einrichtung ist
die Aufrechterhaltung von Temperaturen unter 100 mK nicht
erreichbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des
bekannten Standes der Technik vermieden werden und mit
denen in kleineren und einfacher als bisher zu bedienenden
Anlagen störungsfrei und verlustfrei eine Temperatur
zwischen 10-100 mK kontinuierlich und zeitlich unbegrenzt
mit nur einer 3He-Adsorptionspumpe konstant gehalten werden
kann, die sich auch während der Regeneration der 3He-Ad
sorptionspumpen nicht ändert.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens
gemäß Anspruch 1 und durch die Merkmale der Vorrichtung
nach Anspruch 4 gelöst.
Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekenn
zeichnet, dass zwischen die 3He-Wanne und den Kondensator
des Lösungskryostaten ein in sich geschlossenes System
thermisch eingekoppelt wird, welches aus mindestens einem
zweiten Kondensator und mindestens einer zweiten 3He-Wanne
gebildet wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens
werden alle Komponenten des Lösungskryostaten auch als
Ganzes in einem geschlossenen System derart angeordnet,
dass keinerlei Gasverbindungen nach außen bestehen.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekenn
zeichnet, dass alle Komponenten in einem geschlossenen
System derart angeordnet sind, dass keinerlei Gasverbin
dungen nach außen bestehen, wobei zwischen die 3He-Wanne
und den Kondensator des Lösungskryostaten ein in sich
geschlossenes System thermisch eingekoppelt ist, welches
aus mindestens einem zweiten Kondensator und mindestens
einer zweiten 3He-Wanne gebildet ist.
Durch die vorgeschlagenen Lösungen kann auf eine der 3He-
Adsorptionspumpen verzichtet werden. Anstelle dieser Pumpe
wird die äußere 4He-Pumpe zum Abpumpen des 1 K-Pots als
Adsorptionspumpe mit in die Anlage eingebaut und für den
Pumpvorgang auf 4.2 K abgekühlt. Mit dem Einsatz von
Kondensatoren für das 3He-Gas (Boldarev et al.,
"Ventilloser zweistufiger Lösungskühler mit innerer 3He-
Zirkulation" in Instruments and Experimental Techniques
(russ.), 2 (1989), 193-196) und elektrisch steuerbare
Wärmeschalter sind auch die von außen zu schaltenden
Ventile und Wärmeschalter nicht mehr erforderlich.
Es wird ein geschlossenes System gewährleistet, bei dem
keinerlei Gasverbindung nach außen besteht.
Die Vorteile bestehen in der weitgehenden Störfreiheit der
Anlage, im wesentlich geringeren thermischen Aufwand zur
Aufrechterhaltung einer eingestellten Temperatur zwischen
10 und 100 mK, in den wesentlich geringeren Wärmeverlusten
während des Betriebs und in den erheblich leichteren und
kleineren Anlagen.
Zweckmäßige weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs
beispiel einer Anlage näher erläutert. Die Zeichnung zeigt
eine schematische Darstellung eines kontinuierlich
arbeitenden 3He/4He-Lösungskühlers mit einer Vorrichtung
nach der Erfindung.
Ausgangspunkt für die Arbeit von Lösungskryostaten ist eine
Vorkühlung des Systems auf die Temperatur des flüssigen
Heliums. Das geschieht meist dadurch, dass der gesamte
Lösungskühler in einem Bad von flüssigem Helium auf 4.2 K
abgekühlt wird.
Diese Abkühlung erfolgt für die hier beschriebenen Kühler
konkret durch Wärmekontakt eines Wärmeleiters WL mit
flüssigem Helium.
In der Zeichnung ist ein Lösungskühler schematisch darge
stellt, der sich in einem Rohr mit einer Länge unter einem
Meter und einem Durchmesser von wenigen Zentimetern
befindet.
Der Lösungskühler besteht aus einer 4He-Wanne W4 mit
flüssigem 4He, die mit einer Adsorptionspumpe PHe4 verbun
den ist, aus einer 3He-Wanne W1 mit flüssigem 3He, die mit
einer zweiten Adsorptionspumpe PHe3 für das 3He verbunden
ist, und aus dem 3He/4He-Lösungssystem, bestehend aus den
Komponenten Lösungskammer LK, Wärmetauscher WT, Verdampfer
V, Kondensator K1.
Die letztgenannten drei Systeme sind in sich vakuumdicht
abgeschlossen. Sie befinden sich in einem gemeinsamen
Hochvakuum, das zur Wärmeisolierung dient. Dieses
Hochvakuum wird aufgrund der Abkühlung der Wände auf 4.2 K
automatisch erzeugt.
Die Adsorptionspumpen PHe3, PHe4 werden mit dem 4He-Bad
über die Wärmeschalter WS3, WS4 vom Wärmeleiter WL auf 4.2 K
gekühlt. Mit der auf 4.2 K abgekühlten 4He-Adsorptionspumpe
PHe4 wird der 4He-Dampf über der Flüssigkeit in der 4He-
Wanne W4 abgepumpt, wodurch diese Wanne W4 eine Temperatur
von 1 K erreicht. Deshalb wird diese Wanne W4 auch 1 Kelvin-
Pot genannt.
Die Kondensation des 3He-Gases in die 3He-Wanne W1 wird
erreicht, indem das Rohr, das die 3He-Adsorptionspumpe PHe3
mit der 3He-Wanne W1 verbindet, beim Verlauf durch den 1 K-
Pot W4, unter die Siedetemperatur von 3He abgekühlt wird.
Mit der auf 4.2 K abgekühlten 3He-Adsorptionspumpe PHe3 wird
der Dampf über der Flüssigkeit in der 3He-Wanne W1
abgepumpt, wodurch sich die Temperatur dieser Wanne W1 auf
0.3-0.5 K erniedrigt.
Nach der Erfindung ist zusätzlich zu den vorbeschriebenen
Komponenten ein in sich geschlossenes System thermisch
eingekoppelt, welches aus mindestens einem zweiten
Kondensator K2 und mindestens einer zweiten 3He-Wanne W2
gebildet wird.
Der zweite Kondensator K2 hat durch den thermischen Kontakt
mit der ersten 3He-Wanne W1, während die 3He-Adsorptions
pumpe PHe3 die Wanne W1 abpumpt, eine Temperatur von 0.3-
0.5 K. 3He-Gas wird ständig aus der zweiten 3He-Wanne W2
dadurch abgepumpt, dass in dem zweiten Kondensator K2 3He-
Gas kondensiert und in die zweite Wanne W2 zurückfließt,
wodurch sich diese zweite 3He-Wanne W2 auch auf der
Temperatur von 0.3-0.5 K befindet und die 3He-Zirkulation im
3He/He4-Lösungssystem aufrecht erhält. Während der
Regeneration der Adsorptionspumpen PHe3 und PHe4 erreicht
die Wanne W1 eine höhere Temperatur, wodurch das 3He aus
der zweiten Wanne W2 nicht mehr im Kondensator K2
kondensiert und damit die beiden Wannen gegeneinander
wärmeisoliert sind, wodurch sich das flüssige 3He in der
zweiten Wanne W2 aufgrund seiner großen Wärmekapazität und
durch die geringe Wärmemenge, die es vom Verdampfer V
erhält nur sehr langsam während der Regenerationszeit
erwärmt. Da es für die Aufrechterhaltung der Zirkulation
ausreicht, dass diese Wanne W2 eine Temperatur von 0.5 K
hat, bleibt die Zirkulation bis zum Erreichen einer
Temperatur, die sogar geringfügig über 0.5 K liegen kann,
erhalten und überbrückt die Regenerationszeit als Kühler
des ersten Kondensators K1, der den 3He-Strom im 3He/4He-
Lösungssystem weiterhin aufrecht erhält. Damit wird die
Temperatur der Lösungskammer konstant auf einer Temperatur
zwischen 10 mK und 100 mK gehalten, wobei die Temperatur der
zweiten 3He-Wanne W2 während der Regeneration der
Adsorptionspumpen PHe3, PHe4 nur geringfügig über 0.5 K
ansteigt.
PHe4 Adsorptionspumpe für die Wanne mit
flüssigem 4
He, mit T = 1 K
PHe3 Adsorptionspumpe für die Wanne mit flüssigem 3
PHe3 Adsorptionspumpe für die Wanne mit flüssigem 3
He, mit T = 0.3-0.5 K
WL Wärmeleiter
WS4 Wärmeschalter für die 4
WL Wärmeleiter
WS4 Wärmeschalter für die 4
He-Adsorptions
pumpe
WS3 Wärmeschalter für die 3
WS3 Wärmeschalter für die 3
He-Adsorptions
pumpe
W4 Wanne mit flüssigem 4
W4 Wanne mit flüssigem 4
He, auch 1 K-Pot
genannt
W1 erste 3
W1 erste 3
He-Wanne
W2 zweite 3
W2 zweite 3
He-Wanne
K1 1. Kondensator
K2 2. Kondensator
LK Lösungskammer
WT Wärmetauscher
V Verdampfer, auch Still genannt.
K1 1. Kondensator
K2 2. Kondensator
LK Lösungskammer
WT Wärmetauscher
V Verdampfer, auch Still genannt.
Claims (5)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Aufrechterhaltung von
tiefsten Temperaturen zwischen 10 mK und 100 mK über
große Zeiträume zur störungsfreien Kühlung von
Detektoren und anderen Proben über einen 3He/4He-
Lösungskryostaten mit Adsorptionspumpen, Wärmeleiter,
Wärmeschalter, 3He-Wanne, 4He-Wanne, Kondensator, einem
Verdampfer, einer Lösungskammer, einem Wärmetauscher,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen die 3He-Wanne (W1) und den Kondensator (K1)
des Lösungskryostaten ein in sich geschlossenes System
thermisch eingekoppelt wird, welches aus mindestens
einem zweiten Kondensator (K2) und mindestens einer
zweiten 3He-Wanne (W2) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
alle Komponenten des Lösungskryostaten als Ganzes in
einem geschlossenen System derart angeordnet werden,
dass keinerlei Gasverbindungen nach außen bestehen,
dass die notwendigen Zwischentemperaturen von 1K und
0.3-0.5 K mit Adsorptionspumpen erzeugt werden, und zur
Vorkühlung nur normal siedendes flüssiges 4He mit 4.2 K
oder ein mechanischer Kühler, der eine Temperatur um 4 K
erzeugt, dient.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweiten
Kondensator (K2) und die erste 3He-Wanne (W1) eine
gemeinsame Wand gebildet wird und die zweite 3He-Wanne
(W2) teilweise mit flüssigem 3He gefüllt wird und eine
gemeinsame Wand mit dem ersten Kondensator (K1) des in
sich geschlossenen 3He/4He-Lösungssystems aufweist.
4. Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufrechterhaltung von
tiefsten Temperaturen zwischen 10 mK und 100 mK über
große Zeiträume zur störungsfreien Kühlung von
Detektoren und anderen Proben, bestehend aus einem
3He/4He-Lösungskryostaten mit Adsorptionspumpen,
Wärmeleiter, Wärmeschalter, 3He-Wanne, 4He-Wanne,
Kondensator, einem Verdampfer, einer Lösungskammer,
einem Wärmetauscher,
dadurch gekennzeichnet,
dass alle Komponenten als Ganzes in einem geschlossenen
System derart angeordnet sind, dass keinerlei
Gasverbindungen nach außen bestehen, wobei zwischen
die 3He-Wanne (W1) und den Kondensator (K1) des
Lösungskryostaten ein in sich geschlossenes System
thermisch eingekoppelt ist, welches aus mindestens
einem zweiten Kondensator (K2) und mindestens einer
zweiten 3He-Wanne (W2) gebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Kondensator (K2) und die erste 3He-
Wanne (W1) eine gemeinsame Wand aufweisen und die
zweite 3He-Wanne (W2) teilweise mit flüssigem 3He
gefüllt ist und eine gemeinsame Wand mit dem ersten
Kondensator (K1) des Lösungssystems aufweist.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2006051251A1 (en) * | 2004-11-09 | 2006-05-18 | Oxford Instruments Superconductivity Limited | Cryostat assembly |
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| DD274339A3 (de) * | 1984-07-20 | 1989-12-20 | Fiz Tekh Inst Nizkikh Temp | Verfahren zur herstellung extrem tiefer temperaturen (varianten) und dazugehoerige anlage (varianten) |
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2002
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Patent Citations (1)
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