Способ получения сверхтекучего гелия под давлением выше равновесного

1Изобретение относится к криогенной технике, а именно к области применения сверхнизких температур, и может быть использовано для эффективного охлаждения различных объектов, усройств, а также при проведении научных исследований.Известен способ получения сверхтекучего гелия под давлением, включащий закачку жидкого гелия в емкость с последующим процессом теплообмена с охлаждающим гелием 11.Недостатками данного способа являются невозможность получения температуры, близкой к 1 К и ниже, и низкая экономичность, Указанные недостатки обусловлены тем, что к емкости со сверхтекучим гелием при температуре -2 К имеется непрерывный тепло- приток с гелием, подаваемым из ванны, где его температура выше 2,17 К, а для получения сверхтекучего гелия с температурой - 1 К необходимо бесконечное вакуумирование или установка рефрижератора растворения, что нереально из-за большой сложности и малой холодопроизводительности, а также невозможности при этом получить сверхтекучий гелий под давлением,Известен способ получения сверхтекучего гелия под давлением, включащий закачку жидкого гелия в емкость с последующим его охлаждением 2,Недостатками этого способа также являются невозможность получения гелия с температурой в -1 К и низкая экономичность, что обусловлено ограниченными возможностями вакуумного оборудования, производительность которого должна быть при этом чрезвычайно;велика с большим потреблением энергии, что невозможно осуществить, а колебания давления и вибрации системы, связанные с работой насоса, нарушают условия эксперимента.Цель изобретения - понижение темпепературы сверхтекучего гелия под давлением и повышение экономичности процесса,Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения сверхтекучего гелия под давлением выше равновесного, включающему подачу жидкого гелия в емкость с последующим охлаждением гелия, охлаждение осуществляют жидким гелием и подачу жидкого гелия в емкость осуществляют до достижения давления, обеспечивающего его кристаллизацию, и температуры ниже критической, после чего прекращают подачу и указанный процесс охлаждения, затем понижают давление в емкости.На чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.Ванна 1 с жидким гелием соединена линией закачки 2 с запорным вентилем 3 с емкостью 4, снабженной вакуумной рубашкой 5, которая соединена с криосорбционным устройством 6, содержащим нагревательныйЖидкий гелий из ванны 1 закачивают по линии 2 через вентиль 3 в емкость 4 до такого давления, которое обспечивает его кристаллическое состояние после охлаждения ниже критической температуры. Температуру охлаждающего гелия в емкости 9 понижают откачкой паров, равновесных этому гелию, вакуумным насосом 12, при этом интенсифицируют теплообмен между гелием в емкости 4 и 9 путем нагрева нагревательного элемента 7 криосорбционного устрой 10 15 ства б,что снижает степень вакуума в вакуумной рубашке 5 и создает возможность совершенного процесса теплообмена. Жидкий гелий в емкости 4 кристаллизируется, а вен 20 тилем 3 отсекают закачку гелия в емкость 4, что прекращает теплопритоки с поступающим гелием. Затем выключают нагревательный элемент 7, криосорбционное устройство 25 6 охлаждается, повышая степень вакуумирования в вакуумной рубашке 5, размыкается тепловой мост между гелием в емкостях 4 и 9, снимая процесс теплообмена между ним. Открывают дроссельный вентиль 11 и понижают давление в емкости 4, кристал 30 лический гелий испаряется и плавится. За счет скрытой теплоты плавления гелия температура его понижается до 1 К - 0,8 К, а давление гелия в емкости 4 выше равновесного, что очень важно для проведения исследований. При этом всю систему отключают, закрывают вентиль 11 и проводят эксперимент без посторонних искажений.Пример. Внутри криостата 10 располагают специальный металлический сосуд емкостью 10 л с вакуумной рубашкой 5. Если обеспечить, возможность подачи во внутреннюю полость этого сосуда жидкого гелия по линии закачки 2 с вентилем 3, то такая система может обеспечить проведение экспериментов при температурах ниже 1 К. 35 40 45 Для этого заправляют жидким гелием при атмосферном давлении как сам криостат 10, так и размещенный внутри него сосуд 4. Последний можно заправлять через отдельный трубопровод, способный выдерживать давление - 4,0 МПа (такое же давление должна выдерживать емкость 4). Давление в вакуумной изоляции емкости 4 может изменяться тем или иным способом - нагревом или охлаждением криосорбционного устройства 6 или другим вакуумным устройством. После заполнения гелием криостата 10 и емкости 4 в вакуумной изоляции послед 50 55 2элемент 7 и изоляцию 8. Емкость 4 и криосорб- ционное устройство б размещены в емкости 9, заполненной охлаждающим гелием, и все это находится в криостате 10. Емкость 4 соединена с дроссельным вентилем 11, а емкость 9 соединена с вакуумным насосом 12.Способ осуществляется следующим образом.,35 40 45 50 55 3него устанавливается давление -10 торр,1что обеспечивает эффективный теплообмен между гелием в емкости 4 и омывающим его гелием, заполняющим криостат 10. После этого давление в емкЬсти 4 поднимают до -3,0 МПа за счет наддува через трубку ма лого сечения с вентилем 11, соединяющую внутреннюю полость емкость 4 с источником газообразного гелия высокого давления. Перед наддувом вентиль 3 закрывают. Затем начинают откачку паров гелия насосом 12 из паровой подушки криостата 10, что приводит к понижению в нем температуры. В результате теплообмена понижается также и температура гелия внутри специального сосуда в то время, как давление в нем остается постоянным и равным 3,0 МПа, так как вентиль наддува 11 на трубопроводе остается открытым. По достижении в емкости 4 температуры -1,76 К начинается кристаллизация (замерзание) гелия в нем. По окончании кристаллизации идет дальнейшее понижение температуры как гелия в криостате 20 10, так и гелиевого льда в емкости 4. Охлаждение проводится до тех пор, пока температура не стабилизируется на некотором уровне, определяемом с одной стороны объемной производительностью насоса 12, а с другой теплопритоками из окружающей среды, для насоса НВЗ - 150 и криостата КГ - 60/300 в хорошем состоянии эта температура -1,3 К; По достижении этой температуры давление в вакуумной рубашке 5 понижают до 10 "торр в результате чего твердый гелий в специальной емкости 4 оказывается теплоизолированным от гелия в криостате 10. Затем снижают давление над твердым гелием до желаемой величины 1,0 МПа, что осуществляется путем снижения давления на входе в трубопровод наддува. В результате твердый гелий внутри специальной емкости 4 оказывается в условиях, когда он не может существовать в твердом виде и должен перейти в жидкое состояние, покольку при давлении ниже 2,5 МПа и сколь угодно низких температурах может существовать только жидкий гелий. С другой стороны, гелий в емкости 4 после понижения давления изолирован в тепловом отношении, так что теплота плавления может отниматься лишь от самого этого гелия, Таким образом, в результате плавления гелия температура образовавшейся жидкости и оставшегося льда непрерывно понижается до тех пор, пока не расплавится весь лед. Снижение температуры при плавлении льда тем больше, чем больше теплота плавления и ниже теплоемкости системы.Теплоемкость жидкого гелия и теплота плавления гелиевого льда в области температур ниже 2,17 К в очень сильной степени зависят от температуры, причем обе эти ве 4личины с понижением температуры резко падают.Таким образом, для определения температуры при плавлении или иной части льда необходимо весь диапазон температур разбить на достаточно малые отрезки, на которых теплоемкость и теплоту плавления можно принять постоянной. В данном примере для простоты ограничимся разбивкой на участки в 0,1 К и примем теплоемкость льда равной теплоемкости жидкости. Тогда долю льда, который должен быть расплавлен для достижения температуры на ЬТ=0,1 К ниже исходной, можно определить, исходя из условия МС Т=гхМ,где М - исходная массла льда;С, - теплоемкость жидкого гелия (теплоемкость твердого и жидкого гелия принимают равными, так что М в правой части уравнения не зависит от соотношения льда и жидкости на данном этапе плавления);г - теплота плавления льда;х - доля льда, которая должна, бытьрасплавлена для снижения темпе.пературы на ЬТ=0,1 К. Исходная температура, при которой весь гелий находится в твердом состоянии 1,3 К, для определения доли льда, которую необходимо расплавить для получения температуры 1,2 К, в уравнение подставляются теплота плавления при 1,25 К г=0,2 кДж/кг и теплоемкости жидкости при той же температуре С,=Я,З кДж/кг Таким образом, при плавлении 15 Я льда образуется льдо-жидкостная смесь с температурой 1,2 К. Для снижения температуры до 1,1 К дополнительно необходимо расплавить Х=ЛТ- =0,1, -=0,2,где С, и г - теплоемкость и теплота плавления при 1,15 К.Для снижения температуры до 0.9 К потребуется еще дополнительно расплавить долю льда, равную 0,5 (ЛТ для сокращения возьмем 0,2 К). где С.з и гз - теплоемкость и теплота плавления при 1 К.Таким образом, расплавив 85 Я льда, получают смесь сверхтекучего гелия со льдом5при 0,9 К и 1,0 МПа. При этом оставшиеся 15 Я льда позволяют провести в этих условиях эксперименты с общим тепловыделением, равным теплоте плавления этого льда, Теплота плавления при 0,9 К равна -0,02 кДж/кг. Если располагают 10-литровым сосудом 4, то исходное количество льда в нем должно быть равно -1,4 кг, так что 11399456оставшиеся 15 о/о составят 0,2 кг, т. е. в эксперименте может быть выделено 4 Дж.Использование предлагаемого способапозволяет получать сверхтекучий гелий под давлением значительно выше равновесного5 и при 1 К и ниже, исключает влияниеколебания давления и вибрации от вакуума насоса, повышает экономичность процесса.Редактор А. ГулькоЗаказ 40/29 Составитель А. НикитинТехред И. Верес Корректор А. ЗимокосовТираж 509 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4