DE2507614C3 - Vorrichtung zur Herstellung von suprafluidem Helium unter Druck bei sehr tiefer Temperatur - Google Patents

Description

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

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zone des suprafluiden Heliums in eine obere und eine untere Teilzone aufgeteilt ist, die über einen Kanal für das suprafluide Helium miteinander verbunden sind, daß die Kühlung in der unteren Teilzone angeordnet ist und daß die Kühlleistung und der Kanalquerschnitt so aufeinander abgestimmt sind, daß im Heliumkanal ein zur Bildung eines Temperaturgradienten notwendiger kritischer Wärmefluß auftritt.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept wird im oberen Teil der 'juprafluiden Zone ein Temperaturgradient zusätzlich zu dem Temperaturgradienten erzeugt, der 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 Wärmefluß abhängt.

Die zugrundeliegende Verfahrensweise zur Herstellung von suprafluidem Helium unter Druck bei sehr tiefer Temperatur beruht auf dem lokalen Abkühlen eines HeIium-4-Bades zur Absenkung seiner Temperatur unter den λ-Punkt, wodurch der untere Teil des Bades in eine Zone suprafluiden Heliums übergeht, wobei erfindungsgemäß der obere Teil der suprafluiden Zone mit dem unteren Teil durch eiiien mit suprafluidem Helium gefüllten Kanal kleineren Querschnitts verbunden ist und in diesem Kanal ein kritischer Wärmefluß 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 Wärmeflusses eingestellt bzw. geregelt werden. Dazu kann entweder die Leistung der Kältequelle oder die Dimensionierung der suprafluiden Heliumsäule im Kanal, in dem der Temperaturgradient vorliegt, herangezogen werden.

Die Einrichtung umfaßt 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 Durchleitung eines kritischen Wärmeflusses unter einem Temperaturgradienten ermöglicht, wobei die Kühleinrichtung in zumindest einem der unteren Gefäße vorgesehen ist, die das suprafluide Helium enthalten.

Die Kühleinrichtungen 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 K erreichbar sind; unabhängige Helium-3-Kühleinrichtungen, die ggf. das Hauptbad zur Vorkühlung verwenden, mit denen Temperaturen irt der Größenordnung von 0,7 K erreichbar sind, sowie unabhängige He3-He4-Verdünnur.gs-Kältecinrichtungen, die das Hauptbad zur Vorkülilung 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 zeigt

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. 3 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der kritischen Wärmeflußdichte 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 Wärmefluß 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 suprafluides Helium und

Fig. 9 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.)

InFig. 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 stammendes 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 Bad durch ein Ventil 20 oder ein geeichtes Leck entnommen wird. Pumpeinrichtungen 24 und ein Rohrsystem 22 ermöglichen das Abpumpen des Dampfs der in das Gefäß 18 eingebrachten Flüssigkeit 21, die die dazu nötige Verdampfungswärme dem Hauptbad 16 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 K (d = 0,125) und den bei 2 K (d = 0,145) erleichtert. Auf diese Weise gelangt schließlich die gesamte unten gelegene Zone auf eine leicht unterhalb des λ-Punkts liegende 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 18 eingeführten Heliums erzeugten Kältt 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 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 K erhalten bleibt, da das normale Helium 4 als schlechter Wärmeleiter einen Isoliermantel für den suprafluiden Teil darstellt.

Wie bereits erwähnt, gestatten dieses Verfahren und die entsprechende Vorrichtung die Erzeugung von suprafluidem Helium mit einer Temperatur in unmittelbarer Nähe der Übergangstemperatur λ. Im Gegensatz dazu erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Temperaturabsenkung unter diesen Wert; sie ist in Fig. 2 dargestellt.

Fig. 2 zeigt einen Kryostaten 30, der ein Heliumbad 32, Einrichtungen 34 zur Versorgung des Kryostaten mit flüssigem Helium und Einrichtungen 36 zur Aufrechterhaltung eines geeigneten Drucks (ggf. Atmosphärendruck) 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 SO, 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_x, die nur wenig vom λ-Punkt verschieden ist. Im unteren Behälter 40 befindet sich suprafluides Helium auf einer Temperatur T_S<T_X.

Der Kanal 42 enthält eine Flüssigkeitssäule aus suprafluidem Helium, die eine Temperaturdifferenz T-T_s aufweist und durch die aufgrund ihrer Dimensionen ein als kritischer Fluß bezeichneter Wärmefluß fließt, wie im folgenden näher erläutert wird. Die Existenz des kritischen thermischen Flusses erzeugt wechselseitig einen Temperaturgradienten zwischen T_x und T_s.

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 (Wärmeverluste sind durch den gestrichelten Pfeil bei F angedeuiei) bezeichnet sind und Q den durch den Kanal 42 vom oberen Gefäß 38 fließenden Wärmefluß bedeutet.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2 sei zunächst erläutert, was unter kritischem Wärmefluß bei einem Temperaturgradienten in einer suprafluiden Flüssigkeitssäule verstanden ist (vgl. dazu den Artikel »Flux critiques dans des canaux verticaux ouverts remplis d'heliumsuperfluidesouspression«, G. Claudet und L. Se net, 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 in suprafluidem Helium (zwischen dem Dampfdruck und 3,5 kg/cm² Druck und für Temperaturen von 1,7 bis 2,17 K) hervor. Der Wärmeübergang in einem derartigen Bad geschieht dabei je nach dem Wert des erzwungenen Wärmeflusses auf zwei verschiedene Weisen. Bei geringen Leistungen und bis zu einem dem ersten kritischen Wärmefluß entsprechenden Wert geschieht der Wärmeübergang im suprafluiden Helium mit Temperaturgradienten, die als praktisch vernachlässigbar zu betrachten sind (größenordnungsmäßig 10"⁵ bis 10~⁶ K/cm). Wenn der durch Abpumpen zu entfernende Wärmefluß den Wert dieses ersten kritischen Flusses überschreitet, tritt ein bedeutenderer Temperaturgradient im Helium auf, das sich in dem Rohr befindet, in dem dieser Wärmefluß vorliegt. Es wird so ein neuer stabiler Zustand erhalten, der durch einen zweiten kritischen Wert des Wärmeflusses charakterisiert ist, der der Erwärmung der einen Rohrseite auf T_x entspricht und hauptsächlich von der Badtemperatur sowie der Leichtigkeit abhängt, mit der sich Konvektionsbewegungen im Leitungskanal ausbilden können.

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

InFig. 3 ist zur Veranschaulichung eine Kurve dargestellt, die die Abhängigkeit der kritischen Wärmeflußdichte Q, die einem Temperaturgradienten im Helium unter Druck entspricht (38 bis 2300 Torr) in Abhängigkeit von der Temperatur T darstellt. Der kritische Wärmefluß ist dabei in W/cm² und die Temperatur in K 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_x entspricht.

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

Die Verhältnisse im oberen Gefäß 38 sind genau dieselben wie in einer Vorrichtung der in Fig. 1 dargestellten Art: die Temperatur T_x des suprafluiden Hell der Zone 48 liegt nahe an der des λ-Punkts, wobei sich auf der Oberfläche ein Mantel 46 aus normalem Helium HeI befindet. Im Kanal 42 stellt sich ein Wärmefluß Q ein, und das untere Gefäß 40 kühlt sich bis auf eine Temperatur T_s ab, wobei der entsprechende Wärmefluß Q dein kritischen Wärmefluß, 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 = 47,5 mW erreicht der dadurch erzeugte Wärmefluß einen Weil von 3,6 W/cm², und aus Fig. 3 ist eine Temperatui T_s des suprafluiden Bads im unteren Gefäß von 1,9 K zu entnehmen. Zum Abpumpen dieser erforderlicher Leistung ist eine mechanische Pumpe mit einer Saugleistung von 8 bis 10 m³/h ausreichend, entsprechend SO in Fig. 2.

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

Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, bestimmt der Wärmefluß den Temperaturgradienten T_x — T₅ zwischen dem oberen und dem unte·

ren Behälter der Vorrichtung und entsprechend die durch das suprafluide Helium im unteren Behälter erreichte Gleichgewichtstemperatur. Der Wärmefluß ist dabei durch zwei unabhängige Einflüsse bestimmt, nämlich die Kälteleistung der Quelle 44 sowie die Dimensionen der suprafluiden Flüssigkeitssäule im Kanal 42. Die Einstellung dieser beiden Einflußgrößen erlaubt eine entsprechende Einstellung der Temperatur des suprafluiden Heliums. Die Kältequelle 44 und der Kanal 42 werden im folgenden näher erläutert.

Die Kühleinrichtung 44, die sich im suprafluiden Helium im unteren Gefäß 40 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. 1 angegebenen identisch. Sie enthält einen in das zu kühlende suprafluide Helium 62 eingebrachten Behälter 60, 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 Pumpeinrichtung 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 Erfindungsgedankens, 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 K arbeiten. Unterhalb dieser Temperatur und bis gegen 0,7 K wird vorteilhaft eine Kühlung verwendet, die aus einem Helium-3-Kühler besteht, wie in Fig. 5 dargestellt. Zum Kühler gehört ein Gefäß 70, das flüssiges He-Iium-3 72 durch die Rohrleitung 74 zugeführt erhält, wobei das Helium-3-Bad 76 im Behälter 70 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 K ist eine Kühleinrichtung anwendbar, die als unabhängige He3-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 entweder direkt über die Funktion des Kühlers (beispielsweise durch Veränderung des Durchsatzes) oder indirekt durch zusätzliche Heizung zu verändern.

Eine zweite Möglichkeit zur Einstellung der Badtemperatur besteht, wie bereits angedeutet, darin, die Dimensionen der Flüssigkeitssäule aus suprafluidem Helium, in der der Wärmefluß erfolgt, zu verändern. In Fig. 6 a 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 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 vorhandenen Zwischenraum gebildet wird.

Der Wert des durch den Kanal für das suprafluide Helium geleiteten kritischen Wärmeflusses 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 106 einstellbaren Querschnitt, da er durch die Nadel teilweise verschlossen werden kann.

Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung enthält nur ein einziges unteres Gefäß 40 mit suprafluidem Helium; es ist jedoch auch im Erfindungsgedanken enthalten, mehrere derartige Zonen vorzusehen, die durch Kanäle verbunden sind, die die kritischen Wärmeflüsse 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 A₁ und R₂ versehen.

Die Leistung R₁ entspricht P₁ + Q₁- Q₂, die Leistung A₂ entspricht P₂ + Q₂; P₁ und P₂ stellen dabei die Verluste oder freiwerdenden Wärmemengen in den Gefäßen 101 bzw. 102 dar, Q, ist der kritische Fluß im Kanal 101", der das Gefäß 101 mit dem Gefäß 100 verbindet, und Q₂ der kritische Fluß im Kanal 102", der das Gefäß 102 mit dem Gefäß 101 verbindet.

Der Kanal 102" ist nicht notwendig identisch mit dem Kanal 101". Die Wirkungsweise einer derartigen Vorrichtung ist die gleiche wie die der Vorrichtung nach Fig. 2, wobei sich die Temperaturgradienten addieren und die Temperatur T₂ des Gefäßes 102 tiefer liegt als die Temperatur Γ, des Gefäßes 101.

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

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 8 besteht in einer Parallelschaltung der beiden im vorgenannten Fall in Serie gelegten Gefäße, wie dies bei der in Fig. 9 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. 112' versehen und mit dem oberen Gefäß 110 durch zwei Kanäle 111" bzw. 112" verbunden sind, durch die die kritischen Wärmeflüsse entsprechend den jeweiligen Temperaturgradienten strömen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von suprafluidem Helium unter Druck mit einem in einem Kryostaten befindlichen Helium-4-Bad, einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Heliumdrucks und einer in das Heliumbad eintauchenden Einrichtung zur lokalen Kühlung und Absenkung seiner Temperatur unter den λ-Punkt, die im unteren Teil des Heliumbades eine Zone mit suprafluidem Helium erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone des suprafluiden Heliums in eine obere Teilzone (48) und eine untere Teilzone (40; 62; 92; 101, 102; 111,112) aufgeteilt ist, die über einen Kanal (42; 90; 96; 98; 100,102; 101", 102"; 104,106; 111", 112") für das suprafluide Helium miteinander verbunden sind, daß die Kühlung (44; 60, 64; 70; 101', 102') in der unteren Teilzone (40; 62; 92; 101, 102; 111, 112) angeordnet ist und daß die Kühlleistung und der Kanalquerschnitt so aufeinander abgestimmt sind, daß im Kanal (42; 90; 96; 98; 100,102; 101", 102"; 104, 106; 111", 112") für das suprafluide Helium ein zur Bildung eines Temperaturgradienten notwendiger kritischer Wärmefluß auftritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der unteren Teilzone (40; 62;92; 101,102; 111,112) des suprafluiden Heliums angeordnete Kühlung (44; 60, 64; 70) eine Einrichtung (50; 66; 80) zur Verdampfung von aus dem Heliumbad stammendem flüssigem Helium-4 aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichmet, daß die in der unteren Teilzone (40; 62; 92; 101,102; 111,112) des suprafluiden Heliums angeordnete Kühlung (44; 70) einen unabhängigen Kühlkreislauf (74, 78, WH) zur Verdampfung von Helium-3 aufweist, gegebenenfalls mit einer in das Helium-4-Bad eintauchenden Vorkühleinrichtung (82).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der unteren Teilzone (40; 62,92; 101,102; 111,112) des suprafluiden Heliums angeordnete Kühlung (44; 70) einen unabhängigen Helium-3-Helium-4- Verdünnungskühler aufweist, gegebenenfalls mit einer in das Helium-4-Bad eintauchenden Vorkühleinrichtung (82).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (42; 90; 101", 102"; 111", 112") aus einem zylindrischen Rohr kleinen Durchmessers, insbesondere in der Größenordnung von Millimeter besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (42; 90; 101", 102"; 111", 112") durch eine öffnung (96) einer Zwischenwand (98) gebildet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (42; 104) mit einer einstellbaren Nadel (106) teilweise verschließbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (42) durch den Zwischenraum (102) zwischen dem Umfang einer mit Spiel im umgebenden Gefäßmantel vorgesehenen Scheibe (100) und dem Gefäßmantel gebildet wird.

Λ ι

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von suprafluidem Helium unter Druck entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Anwendungsmöglichkeitep. 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 4 unterhalb des sog. λ-Punkts (2,17K) und unter bestimmten Druckverhältnissen in einem Zustand vorliegt, der als Helium II oder suprafluides 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, u. 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 1971, Band 273, Serie B, Seite 581). Nach diesem Verfahren wird eine kleine Kältequelle in ein Bad aus normalem Helium unter Atmosphärendruck eingetaucht, wobei ein Wärmefluß von der Badoberfläche gegen die kalte Quelle hin auftritt. Dieser Wärmefluß 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 2,17K 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 entzogene 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 38 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.