DE2507614A1

DE2507614A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von suprafluidem helium unter druck bei sehr tiefer temperatur

Info

Publication number: DE2507614A1
Application number: DE19752507614
Authority: DE
Inventors: Gerard Claudet; Pierre Roubeau; Jacques Verdier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-02-22
Filing date: 1975-02-21
Publication date: 1975-08-28
Also published as: JPS50119789A; NL7502005A; FR2262267A1; NL168043B; DE2507614C3; DE2507614B2; GB1458334A; FR2262267B1; JPS604121B2; US3992893A; NL168043C

Description

Patentanwälte ^r" M>I.-lng. R. B E E T 2 sen. Dlpl.-lng. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. BEETZ Jr.

8 München 22, Stelnsdorfstr. 1O Tel. (089)227201/227244/295910

Telegr. Allpatent München Telex S22O48

410-23.833P

21. 2. 1975

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Verfahren und Vorrichtung zur Herste]lung von Ruprafluidem Helium unter Druck bei sehr tiefer

Temperatur

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von suprafluidem Helium unter Druck bei sehr tiefer Temperatur.

Anwendungsmöglichkeiten liegen beispielsweise bei der Abkühlung supraleitender Spulen zur Erzeugung starker Magnetfelder sowie in der Erzeugung sehr tiefer Temperaturen für verschiedene physikalische Anwendungen.

Es ist bekannt, daß Helium h unterhalb des sog. λ-Punkts (2,17 °K) und unter bestimmten Druckverhältnissen in einem Zustand vorliegt, der als Helium II

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oder supraiTuides Helium bezeichnet wird. Am λ-Punkt liegen einzigartige Veränderungen der spezifischen Wärme, der Dichte, der verdampfungswärme sowie insbesondere der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit vor. Aufgrund dieses Umstands weist das suprafluide Helium für die Kühltechnologie und Kälteerzeugung außerordentlich interessante Eigenschaften auf, und zwar sowohl durch den damit zugänglichen Temperaturbereich als auch durch die damit erreichbaren Wärmeübertragungseigenschaften. Suprafluides Helium wird allerdings derzeit nur in relativ geringem Ausmaß praktisch angewendet, da das bisher angewandte Herstellungsverfahren, das auf einer Absenkung des Dampfdrucks unterhalb 38 Torr beruht, große Schwierigkeiten mit sich bringt.

Die Schwierigkeiten rühren im wesentlichen von der Funktionsweise der entsprechenden Anlage bei niedrigem Druck her und sind insbesondere folgende: Gefahr von Luftzutritt, Notwendigkeit der Verwendung von Behältern mit großer mechanischer Widerstandsfähigkeit, schwaches dielektrisches Verhalten des Gases, Störungen beim Einleiten von Helium, Auftreten von Verlusten durch Bildung eines suprafluiden Films, große Bedeutung der Pumpeinrichtungen,· deren Dimensionierung vom Wärmeangebot des Heliumbads abhängt, od. dgl.

Eine Lösung dieser Probleme wurde von Pierre Roubeau vorgeschlagen (vgl. den Artikel "Flüssiges Helium-4-Kältebad mit Temperaturgradient unter Koexistenz der suprafluiden und der normalen Phase", Comptes-rendus ä l'Academie des Sciences, Paris, Oktober I97I, Bnnd 273, Serie B-38, Seite 58I). Nach diesem Verfahren wird eine kleine Kältequelle in ein Bad aus normalem Helium unter Atmosphärendruck eingetaucht, wobei ein Wärmefluß von der Badober-

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fläche gegen die kalte Quelle hin auftritt. Dieser Wärme fluß kann durch das normale Helium hindurch nur stattfinden, da dessen Wärmeleitfähigkeit nur gering ist, wenn sich ein Temperaturgradient in der Weise ausbildet, daß sich der Boden des Bades bis auf 2,17 °K abkühlt, also auf die Temperatur, bei der Helium in den suprafluiden Zustand übergeht. Aufgrund der Tendenz zu weiterer Temperaturerniedrigung bildet sich eine suprafluide Zone aus, die schließlich eine Gleichgewichtshöhe erreicht, wenn die durch die Kältequelle entzogenen Wärme genau derjenigen Wärme entspricht, die der suprafluiden Zone von außen (durch den Kryostatenhals oder die Seitenwände), durch interne Dissipation sowie durch Leitung der normalen Heliumschicht zugeführt wird.

Obgleich dieses Verfahren zur Lösung der Probleme beiträgt, die mit den auf der Dampfdruckabsenkung unterhalb 3>8 Torr beruhenden Verfahren verbunden sind, besitzt es doch den Nachteil, daß es zu einem suprafluiden Helium führt, dessen Temperatur in unmittelbarer Nähe der Temperatur des Λ-Punkts liegt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe es möglich ist, diese Temperaturgrenze auf wesentlich tiefer liegende Werte zu senken.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung gelöst, die zu suprafluidem Helium erheblich tieferer Temperatur führen.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, im oberen Teil der suprafluiden Zone einen Temperaturgradienten zusätzlich zu dem Temperaturgradienten zu erzeugen, der

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in der normalen Heliumschicht erzeugt wurde. Zur Erzeugung dieses Temperaturgradienten in der suprafluiden Zone dient ein zwischen dem oberen und dem unteren Teil der suprafluiden Zone absteigender Wärmestrom, durch den die Temperatur der unteren Zone um einen Betrag abgesenkt wird, der vom jeweilig erzeugten Wärmestrom abhängt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von suprafluidem Helium unter Druck bei sehr tiefer Temperatur beruht auf dem lokalen Abkühlen eines Helium-4-Bades zur Absenkung seiner Temperatur unter den ~\ -Punkt, wobei der untere Teil des Bades in eine Zone suprafluiden Heliums übergeht, und weist das Kennzeichen auf, daß der obere Teil der suprafluiden Zone mit dem unteren Teil durch einen mit suprafluidem Helium gefüllten Kanal kleineren Querschnitts verbunden ist und in diesem Kanal ein kritischer Wärmestrom aufgrund eines Temperaturgradienten erzeugt wird, der durch Kühlung im unteren Teil hervorgerufen wird,

Der Temperaturbereich zwischen dem oberen und unteren Teil der suprafluiden Zone (bzw, die Temperatur des suprafluiden Heliums im unteren Teil) kann durch Beeinflussung des Wertes des kritischen Wärmestroms eingestellt bzw. geregelt werden. Dazu kann entweder die Leitung der Kältequelle oder die Dimensionierung der suprafluiden Heliumsäule im Kanal, in dem der Temperaturgradient vorliegt, herangezogen werden. Die Erfindung gibt ferner eine Vorrichtung zur Herstellung von suprafluidem Helium unter Druck bei sehr tiefer Temperatur nach dem erwähnten erfindungsgemäßen Verfahren an; die Vorrichtung umfaßt"dabei einen Kryostaten mit einem flüssigen Heliumbad, eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines bestimmten erwünschten Heliumdrucks und eine Einrichtung zur lokalen Kühlung, die in das Heliumbad eintaucht, dessen Temperatur unter

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den X-Punkt absinkt; der Kryostat umfaßt dabei erfindungsgemäß :

ein oberes Gefäß, in dessen unterem Teil sich das suprafluide Helium ansammelt und in dessen oberem Teil normales Helium vorliegt, sowie

zumindest ein unteres Gefäß für suprafluides Helium, das unter dem oberen Gefäß angebracht ist und mit diesem durch zumindest einen Kanal geeigneter Abmessungen in Verbindung steht, der die Durchleltung eines kritischen Wärmestroms unter einem Temperaturgradienten ermöglicht, wobei die KUhleinrichtungen in zumindest einem der unteren Gefäße vorgesehen sind, die das suprafluide Helium enthalten.

Die KUhleinrichtungen können aus an sich bekannten Einrichtungen bestehen, die die Abführung von Wärme auf einem Temperaturniveau unterhalb 2,17 °K ermöglichen. Hierzu gehören beispielsweise;

Einrichtungen zur Verdampfung von Helium 4 in einem zusätzlichen Kreislauf, mit denen Temperaturen bis zu 1,1 ⁰K erreichbar sind;

unabhängige Helium-j5-Kühleinrichtungen, die ggf. das Hauptbad zur Vorkühlung verwenden, mit denen Temperaturen in der Größenordnung von 0,7 ⁰K erreichbar sind, sowie

unabhängige He3-He4-Verdünnungs-Kälteeinrichtungen, die das Hauptbad zur Vorkühlung verwenden und Temperaturen in der Größenordnung von 0,1 °K zu erreichen erlauben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen sowie der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

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Fig. 1 eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik zur Herstellung von suprafluidem Helium unter Druck und bei einer leicht unter dem λ -Punkt liegenden Temperatur;

Fig. 2 ein Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. j5 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit

der kritischen Wärmestromdichte im suprafluiden Helium unter Druck in Abhängigkeit von der Temperatur, für einen Kanal von 1,3 mm Durchmesser und 100 mm Länge;

Fig. 4 ein erstes Beispiel für eine in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbare Kühleinrichtung;

Fig. 5 ein zweites Beispiel für eine in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbare Kühleinrichtung;

Fig. 6 einige Beispiele für Ausführungen von Kanälen, durch die ein kritischer Wärmestrom unter einem Temperaturgradienten geleitet werden kann;

Fig. 7 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kanals mit einstellbarem Querschnitt;

Fig. 8 eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei in Reihe geschalteten Gefäßen für Ruprafluides Helium;

Fig. Q eine zweite Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei parallelgeschalteten Gefäßen für suprafluides Helium.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst kurz auf das Verfahrensprinzip nach dem Stand der Technik eingegangen, nach dem suprafluides Helium bei einer Temperatur in der Nähe des λ-Punkts erhältlich ist. (Für weitere Einzelheiten vgl. die bereits genannte Druckschrift).

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In Fig. 1 ist eine nach diesem verfahren arbeitende Vorrichtung gezeigt, die einen Kryostaten 10, eine Flüssighelium-Quelle 12 sowie Pumpeinrichtungen 14 für aus dem Heliumbad 16 stimmendes verdampftes Helium aufweist. Im Kryostaten befindet sich ein Kühlgefäß 18, das in das abzukühlende Gebiet eingetaucht ist und mit flüssigem Helium versorgt wird, das dem umgebenden Ba.d durch ein Ventil 20 oder ein geeichtes Leck entnommen wird. Pumpeinrichtungen 24 und ein Rohrsystem 22 ermöglichen das Abpumpen des Dampfs der in aas Gefäß 18 eingebrachten Flüssigkeit 21, die die dazu nötige Verdampfungswärme dem Hauptbad ΐβ entzieht.

Die Umgebung des Gefäßes 18 kühlt sich auf diese Weise allmählich ab. Die Abkühlung breitet sich durch Konvektion in den unterhalb des Gefäßes 18 gelegenen Teil des Bades aus. Die Konvektion wird dabei durch die geringe Viskosität des Heliums und den bemerkenswerten Dichteunterschied bei 4,2 ⁰K (d = 0,125) und den bei 2 ⁰K (d = 0,145) erleichtert. Auf diese Weise gelangt schließlieh die gesamte unten gelegene Zone auf eine leicht unterhalb des λ-Punktsliegende Temperatur, und die Abkühlung kann dank der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit des suprafluiden Heliums nach oben fortschreiten. Am Ende stellt sich ein stationäres Gleichgewicht ein, da die durch das flüssige normale Helium herangeführte Wärme sowie die übrigen Wärmeangebote verschiedenen Ursprungs mit der durch Verdampfen des in das Gefäß 1δ eingeführten Heliums erzeugten Kälte im Gleichgewicht stehen.

Die Oberfläche des Heliumbads steht unter einem Druck, der durch die Vorrichtung 14 bestimmt ist und insbesondere bei Atmosphärendruck liegt, was die Dichtigkeitsprobleme vereinfacht. Mit Hilfe dieses bekannten Verfahrens und

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der bekannten Vorrichtung ist es möglich, ein Helium-4-Bad lokal bis auf eine Temperatur in der Nähe von 2,17 °K abzukühlen, wobei eine unter Atmosphärendruck stehende Oberfläche mit einer normalen Siedetemperatur von 4,2 ⁰K erhalten bleibt, wobei das normale Helium 4 als schlechter Wärmeleiter einen Isoliermantel für den suprafluiden Teil darstelllt.

Wie bereits erwähnt, gestatten dieses Verfahren und die entsprechende Vorrichtung die Erzeugung von supra- . fluidem Helium mit einer Temperatur in unmittelbarer Nähe der Übergangstemperatur λ. Im Gegensatz dazu erlauben das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Temperaturabsenkung unter diesen Wert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt.

In der Figur ist ein Kryostat 30 dargestellt, der ein Heliumbad 32, Einrichtungen j54 zur Versorgung des Kryostaten mit flüssigem Helium und Einrichtungen 36 zur Aufrechterhaltung eines geeigneten Drucks (ggf. Atmosphärendruek) der Badoberfläche des Heliums 32 aufweist. Die Vorrichtung umfaßt zwei Gefäße, ein oberes Gefäß 38 sowie ein unteres Gefäß 40, die miteinander über einen Kanal 42 in Verbindung stehen^ ein Kühlgefäß 44 taucht in das Heliumbad des unteren Gefäßes 40 ein und steht mit der Abdampfvorrichtung 5O₅ die dem Wärmeentzug dient, in Verbindung.

Im Betrieb befindet sich im oberen Gefäß 38 in dessen oberem Teil 46 normales Helium HeI und im unteren Teil 48 suprafluides Hell auf einer Temperatur T \ _} die nur wenig vom Ά-Punkt verschieden ist. Im unteren Behälter 40 befindet sich suprafluides Helium auf einer Temperatur T„^ T

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Der Kanal 42 enthält eine Flüssigkeitssäule aus suprafluidem Helium, die eine Temperaburdifferenz T - T_g aufweist und durch die aufgrund ihrer Dimensionen ein als kritischer Strom bezeichneter Wärniestrom fließt, wie im folgenden näher erläutert wird. Die Existenz des kritischen thermischen Flusses erzeugt wechselseitig einen Temperaturgradient en zwischen T-* und

Ein Gleichgewicht ist erreicht, wenn die Kältequelle 44 eine P + Q entsprechende Wärmemenge abführt, wobei mit P die Verluste oder die Wärmeentwicklung im unteren Gefäß 40 (Warmeverluste sind durch den gestrichelten Pfeil bei P angedeutet) bezeichnet ist und Q den durch den Kanal 42 vom oberen Gefäß ^8 fließenden Wärmestrom bedeutet.

Zur Erläuterung der Punktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2 sei zunächst erläutert, was unter kritischem Wärmestrom bei einem Temperaturgradienten in einer suprafluiden Flüssigkeitssäule verstanden ist (vgl. dazu den Artikel "Flux critiques dans des canaux verticaux ouverts remplis d'helium superfluide sous pression", G. Claudet und L. Senet, Comptes-rendus ä l'Academie des Sciences, Paris, Dezember 1972, Band 275, Serie B-67, S. 845). Aus der genannten Druckschrift gehen die Besonderheiten des Wärmetransports im suprafluiden Helium (zwischen dem Dampfdruck und 3,5 Atmosphären und für Temperaturen von 1,7 - 2,17 ⁰K) hervor. Der Wärmeübergang in einem derartigen Bad geschieht dabei je nach dem Wert des erzwungenen Wärmestroms auf zwei verschiedene Weisen. Bei geringen Leistungen und bis zu einem dem ersten kritischen Wärmestrom entsprechenden Wert geschieht der Wärmeübergang im suprafluiden Helium mit Temperaturgradienten, die als praktisch vernachlässigbar zu betrachten

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sind (größenordnungsmäßig 10"^ - 10 ⁰K⁷Cm). Wenn der durch Abpumpen zu entfernende Wärmestrom den Wert dieses ersten kritischen Stroms überschreitet, tritt ein bedeutenderer Temperaturgradient im Helium auf, das sich in dem Rohr befindet, in dem dieser Wärmestrom vorliegt. Es wird so ein neuer stabiler Zustand erhalten, der durch einen zweiten kritischen Wert des Wärmestroms charakterisiert ist, der der Erwärmung der einen Rohrseite auf T-\ entspricht und hauptsächlich von der Badtemperatur abhängt sowie der Leichtigkeit, mit der sich Konvektionsbewegungen im Leitungskanal ausbilden können.

Das suprafluide Helium unter Druck ermöglicht also zwei kritische Wärmeströme, die bei verschiedenen Leistungen auftreten. Der erste entspricht dabei geringen Leistungen und geschieht praktisch ohne Temperaturgradient, während der zweite, höheren Leistungen entsprechende kritische Wärmestrom mit einem Temperaturgradienten verbunden ist. Dieser zweite kritische Wärmestrom wird erfindungsgemäß ausgenützt.

In Fig. 3 ist zur Veranschaulichung eine Kurve darge stellt, die die Abhängigkeit der kritischen Wärmestromdichte Q, die einem Temperaturgradienten im Helium unter Druck entspricht (38 - 23OO Torr) in Abhängigkeit von der Temperatur T darstellt. Der kritische Wärmestrom 1st dabei in W⁷Cm² und die Temperatur in Absolutgraden angegeben. Die Kurve wurde unter Verwendung eines Kanals von 1,3 mm Durchmesser und 100 mm Länge erhalten, wobei das eine Ende der Temperatur T und das andere T^ entspricht.

Unter Bezug auf die vorstehenden Ausführungen weist die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 2 folgende

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Funktionsweise auf:

Die Verhältnisse im oberen Gefäß 38 sind dabei genau dieselben wie in einer Vorrichtung der in Fig. 1 dargestellten Art: die Temperatur T^ des suprafluiden Hell der Zone 48 liegt nahe an der des \ -Punkts, und ein Mantel 46 aus normalem Helium HeI befindet sich auf der Oberfläche. Im Kanal 42 stellt sich ein Wärmestrom Q ein, und das untere Gefäß 40 kühlt sich bis auf eine Temperatur Tg ab, wobei der entsprechende Wärmestrom Q dem kritischen Wärmestrom, der von der Ausbildung eines Temperaturgradienten begleitet ist, entspricht, wie bereits erläutert wurde. Für ein Rohr von 1,3 mm Durchmesser und 100 mm Länge und eine durchgesetzte Leistung Q = ^7.» 5 mW erreicht der dadurch erzeugte Wärmestrom einen Wert von 3,6 W/cm , und aus Fig. 3 ist eine Temperatur Tg des suprafluiden Bads im unteren Gefäß von 1,9 ⁰K zu entnehmen. Zum Abpumpen dieser erforderlichen Leistung ist eine mechanische Pumpe mit einer Saugleistung von S - 10 nr/h ausreichend, entsprechend 50 in Fig. 2.

Auf diese Weise wurde suprafluiden Helium unter Druck und Temperaturen um 0,001 ⁰K erzeugt, bei denen die Heliumbäder stabil, homogen und gegenüber periodischer Einleitung von normalem Helium auf die Badoberfläehe völlig unempfindlich waren.

Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, bestimmt der Wärmefluß den Temperaturgradienten T ^ - T₃ zwischen dem oberen und dem unteren Behälter der Vorrichtung und entsprechend die durch das suprafluide Helium im unteren Behälter erreichte Gleichgewichtstemperatur. Der Wärmestrom ist dabei durch zwei unabhängige Einflüsse

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bestimmt, nämlich die Kälteleistung der Quelle 44 sowie die Dimensionen der suprafluiden Flüssigkeitssäule im Kanal 42. Die Einstellung dieser beiden Einflußgrößen erlaubt eine entsprechende Temperatureinstellung des suprafluiden Heliums. Die Kältequelle 44 und der Kanal 42 v/erden im folgenden näher erläutert.

Die Kühleinrichtung 44, die sich im suprafluiden Helium im unteren Gefäß 4o befindet, kann dabei aus beliebigen Einrichtungen bestehen, die es erlauben, Wärme auf einem Temperaturniveau unterhalb 2,17 °K abzuführen. Zwei Beispiele für derartige Vorrichtungen sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt.

In Fig. 4 ist die Kühleinrichtung mit der in Fig.l angegebenen identisch. Sie enthält einen in das zu kühlende suprafluide Helium 62 eingebrachten Behälter βθ, der durch ein Ventil oder ein kalibriertes Leck 64, das in das Heliumbad 62 eintaucht, versorgt wird; eine Rohrleitung 65 verbindet den Behälter 60 mit einer Pumpeinriehtung 66, mit deren Hilfe die Dämpfe der im Behälter 60 befindlichen Flüssigkeit 68 abgepumpt werden können, wobei die Verdampfungswärme dem Bad 62 entnommen wird.

Es liegt ferner selbstverständlich ebenfalls im Rahmen des Er findiingsgedankens, daß das Ventil bzw. das Leck 64 auch durch eine Rohrleitung mit einer vom Bad 62 unabhängigen Quelle für flüssiges Helium verbunden werden kann.

Die Kühleinrichtung der Fig. 4 ist für Vorrichtungen brauchbar, die bei bis zu 1,1 ⁰K arbeiten. Unterhalb dieser Temperatur und bis gegen 0,7 ⁰K wird vorteilhaft eine Kühlung verwendet, die aus einem Helium-j5-Kühler besteht,

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wie in Fig. 5 dargestellt. Zum Kühler gehört ein Gefäß 70, das flüssiges Helium-3 72 durch die Rohrleitung 74 zugeführt erhält, wobei das HeIium-3-Bad 76 im Behälter durch die Leitung 78 mit Hilfe der Vorrichtung 80 abgepumpt wird.

Die Leitungen 74 und 78 weisen vorteilhaft eine Vorkühleinrichtung 82 auf, die einen Wärmeaustausch mit dem Heliumbad 84 im oberen Gefäß der Vorrichtung ermöglicht.

Zur Erreichung von etwa 0,1 ⁰K ist eine Kühleinrichtung anwendbar, die als unabhängige Hej5 - He4-Verdünnungskühlung bezeichnet wird und das Hauptbad zur Vorkühlung verwendet.

Mit Hilfe der genannten Vorrichtungen ist es möglich, die Badtemperatur durch Einstellen der dem suprafluiden Bad entnommenen Nutzleistung zu verändern, entweder direkt über die Funktion des Kühlers (beispielsweise durch Veränderung des Durchsatzes) oder indirekt durch zusätzliche Heizung.

Eine zweite Möglichkeit zur Einstellung der Badtemperatur besteht, wie bereits angedeutet, darin, die Dimension der Flüssigkeitssäule aus suprafluidem Helium, in der der Wärmestrom stattfindet, zu verändern. In Fig.6 ist der Kanal durch ein Rohr 90 dargestellt, das das untere Gefäß 92 mit dem oberen Gefäß 94 verbindet. In Fig. 6b sind die beiden Gefäße durch die öffnung 96 einer perforierten Zwischenwand 98 aus einem isolierenden Material miteinander verbunden. In Fig. 6c sind die Gefäße durch einen Kanal verbunden, der durch den zwischen einer Scheibe 100 und dem Mantel 102 vorhandener· Zwischen-

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raum gebildet wird.

Der Wert des durch den suprafluiden Kanal geleiteten kritischen Warmestroms hängt in erster Linie vom Querschnitt des Kanals und relativ wenig von seiner Länge ab. Es ist infolgedessen vorteilhaft, einen Kanal mit veränderlichem Querschnitt vorzusehen, wie dies bei der als Beispiel angegebenen Fig. 7 der Fall ist. Der Kanal 104 besitzt einen durch Hineindrehen der Nadel ΐοβ einstellbaren Querschnitt, da er durch die Nadel teilweise verschlossen werden kann.

Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung enthält nur ein unteres Gefäß 40 mit suprafluidem Helium; es ist jedoch auch im Erfindungsgedanken enthalten, mehrere derartige Behälter vorzusehen, die durch Kanäle verbunden sind, die die kritischen Wärmeströme unter Temperaturgradienten weiterleiten, wie dies beispielsweise in Fig. 8 dargestellt ist.

In Fig. 8 ist das obere Gefäß 100 mit einem ersten unteren Gefäß 101 verbunden, das seinerseits mit einem zweiten unteren Gefäß 102 verbunden ist. Beide unteren Gefäße 101 und 102 sind mit Einrichtungen 101' und 102* zum Abpumpen der Leistungen R und R versehen.

Die Leistung R. entspricht P- + Q-. - Q , die Leistung R₃ entspricht P₂ + Q₂; P, und P_g stellen dabei die Verluste oder freiwerdenden Wärmemengen in den Gefäßen 101 bzw. 102 dar, Q₁ ist der kritische Fluß im Kanal 101", der das Gefäß 101 mit dem Gefäß 100 verbindet, Q₂ ist der kritische Fluß im Kanal 102", der das Gefäß 102 mit dem Gefäß 101 verbindet.

Der Kanal 102" ist nicht notwendig identisch nit 509835/0723

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dem Kanal 101". Die Wirkungsweise einer derartigen Vorrichtung ist die gleiche wie die in der Vorrichtung nach Fig.2, wobei die Temperaturgradienten zusammenkommen und die Temperatur T des Gefäßes 102 tiefer liegt als die Temperatur T₁ des Gefäßes 101.

Es ist ferner ebenfalls im allgemeinen Erfindungsgedanken enthalten, die Kühlvorrichtung lediglich im Gefä3 102 vorzusehen. Das gleiche gilt *uch für die Verwendung von mehr als zwei unteren Gefäßen mit entsprechend mehr Kanälen zu ihrer Verbindung.

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Pig. 8 besteht in einer Parallelschaltung der beiden im vorgenannten Fall in Serie gelegten Gefäße, wie dies bei der in Fig. Q dargestellten Vorrichtung der Fall ist. In Fig. 9 ist das obere Gefäß 110 mit zwei unteren Gefäßen 111 bzw. 112 verbunden, die mit Kühleinrichtungen 111' bzw. 112¹ versehen und mit dem oberen Gefäß 110 durch zwei Kanäle m" bzw. 112" verbunden sind, durch die die kritischen Wärmeströme entsprechend den jeweiligen Temperaturgradienten strömen.

Kombinationen von Vorrichtungen der Fig. 3 und 9, bei denen die Gefäße mit dem suprafluiden Helium in Serie und parallel geschaltet sind, sind ebenfalls im Erfindungsgedanken enthalten.

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Claims

- 16 Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von suprafluidem Helium unter Druck bei sehr tiefer Temperatur durch lokales Abkühlen eines Helium-4-Bades zur Absenkung seiner Temperatur unter den /^ -Punkt, wobei der untere Teil des Bades in eine Zone suprafluiden Heliums übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil der suprafluiden Zone mit dem unteren Teil durch einen mit suprafluidem Helium gefüllten Kanal kleineren Querschnitts verbunden ist und in diesem Kanal ein mit der Ausbildung eines Temperaturgradienten verbundener kritischer Wärmestrom erzeugt wird, wobei im unteren Teil gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich zwischen dem unteren und dem oberen Teil der suprafluiden Zone durch Veränderung des Wertes des erzeugten kritischen Wärmestroms eingestellt wird.

j5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Wertes des Wärmestroms durch Veränderung der im unteren Teil der suprafluiden Zone angewandten Kühlung vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Viertes des Wärmestroms durch Veränderung der Dimensionen der Flüssigkeitssäule vorgenommen wird, wodurch ihre Wärmeleitung verändert wird.

5. Vorrichtung zur Herstellung von suprafluidem Helium unter Druck und bei sehr niedriger Temperatur nach dem

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Verfahren von Anspruch 1 unter Verwendung eines Kryostaten mit einem flüssigen Heliumbad, einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Heliumdrucks, einer in das Heliumbad eintauchenden Einrichtung zur lokalen Kühlung und Absenkung seiner Temperatur unter den λ. -Punkt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kryostat folgende Einrichtungen enthält: .

ein oberes Gefäß (58), in dessen unterem Teil (48) sich suprafluides Helium ansammelt und in dessen oberem Teil (46) normales Helium vorliegt, sowie

zumindest ein unteres, unter dem oberen Gefäß angeordnetes Gefäß (40) für suprafluides Helium, das mit dem oberen Gefäß über zumindest einen Kanal (42) geeigneter Abmessungen in Verbindung steht, durch den ein kritischer Wärmestrom (Q) unter einem Temperaturgradienten fließt,

wobei die Kühleinrichtung (44) in zumindest einem unteren Gefäß mit suprafluidem Helium vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die in das suprafluide Helium eintauchende Kühleinrichtung (44) eine Einrichtung zur Verdampfung von aus dem Heliumbad stammendem flüssigen Helium-4 aufweist.

7· Vorrjchtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in das suprafluide Helium eintauchende Kühleinrichtung (44) einen unabhängigen Kühlkreislauf zur ver dampfung von Helium-^ aufweist, ggf. mit einem in das Helium-4-Bad eintauchenden Austauscher zur Vorkühlung.

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£. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in das suprafluide Helium eintauchende Kühleinrichtung (44) einen unabhängigen Helium-3-Helium-4-Verdünnungskühler aufweist, ggf. mit einem in das Helium-4-Bad eintauchenden Austauscher zur Vorkühlung.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (42) aus einem zylindrischen Rohr kleinen Durchmessers, insbesondere in der Größenordnung von mm, besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (42) durch die öffnung einer perforierten Zwischenwand gebildet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (42) mit Hilfe einer einstellbaren Nadel teilweise geschlossen werden kann.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal durch eine mit Spiel im umgebenden Gefäßmanfel vorgesehene Scheibe erzeugt wird, wobei der Kanal durch den Zwischenraum zwischen Mantel und Seheibenumfang gebildet wird.

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