ثلاجة التخفيف

مبرد التخفيف 3He / ^4He ، أو ببساطة مبرد التخفيف ، هو جهاز ^تبريد فائق يوفر تبريدًا مستمرًا إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى 2 ملي كلفن ، دون وجود أجزاء متحركة في منطقة درجات الحرارة المنخفضة. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وتُستمد طاقة التبريد من حرارة مزج نظائر الهيليوم -3 والهيليوم -4 .  

تم اقتراح ثلاجة التخفيف لأول مرة من قبل هاينز لندن في أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، وتم تحقيقها تجريبياً في عام 1964 في مختبر كامرلينغ أونيس في جامعة ليدن . ^{[ 3 ]}

تستخدم عملية التبريد مزيجًا من نظيري الهيليوم المستقرين : الهيليوم-3 والهيليوم -4 . عند تبريد المزيج إلى ما دون 870 ملي كلفن تقريبًا، ينفصل طوريًا تلقائيًا ليشكل طورًا غنيًا بالهيليوم ^-3 (الطور المركز) وطورًا فقيرًا بهيليوم ^-3 (الطور المخفف). كما هو موضح في مخطط الأطوار ، عند درجات حرارة منخفضة جدًا، يكون الطور المركز عبارة عن هيليوم ^-3 نقي تقريبًا ، بينما يحتوي الطور المخفف على حوالي 6.6% من الهيليوم ^-3 و93.4% من ^{الهيليوم-4} . سائل التشغيل هو الهيليوم ^-3 ، الذي يُضخ بواسطة مضخات تفريغ عند درجة حرارة الغرفة . يدخل الهيليوم ^{-3 إلى} جهاز التبريد عند ضغط بضع مئات من الميلي بار .

• 
  مخطط تخطيطي لمبرد تخفيف الهيليوم ^-3 /الهيليوم ^-4 الرطب بدون غطاء التفريغ الخارجي
• 
  رسم تخطيطي لثلاجة تخفيف قياسية أو رطبة
• 
  رسم تخطيطي لجزء التبريد ذي درجة الحرارة المنخفضة في ثلاجة التخفيف
• 
  الجزء الداخلي من ثلاجة تخفيف الهيليوم الرطبة من شركة أوكسفورد إنسترومنتس ، بعد إزالة علب التفريغ.
• 
  نظام التحكم بالغاز لثلاجة تخفيف الهيليوم
• 
  رسم تخطيطي لمبرد تخفيف جاف أو خالٍ من المبردات، يتم تبريده مسبقًا بواسطة مبرد أنبوب نبضي ثنائي المراحل ، كما هو موضح بالمستطيل المنقط.

تُعطى قدرة التبريد (بالواط) في غرفة الخلط تقريبًا بالمعادلة التالية:

${\displaystyle {\dot {Q}}_{m}\;[{\text{W}}]=\left({\dot {n}}_{3}\;[{\text{mol/s}}]\right)\left(95(T_{m}\;[{\text{K}}])^{2}-11(T_{i}\;[{\text{K}}])^{2}\right)}$

أين${\displaystyle {\dot {n}}_{3}}$يمثل معدل الدوران المولي للهيليوم ^{-3 ،} _وTm درجة حرارة غرفة الخلط، و Ti درجة حرارة الهيليوم ^{-3 الداخل} _إلى غرفة الخلط. ولن يكون هناك تبريد مفيد إلا عندما

${\displaystyle T_{i}<2.8T_{m}.}$

يحدد هذا درجة الحرارة القصوى للمبادل الحراري الأخير، لأنه فوق هذه الدرجة يتم استهلاك كل طاقة التبريد فقط لتبريد ³ He الساقطة.

داخل غرفة الخلط، تكون المقاومة الحرارية بين الطورين النقي والمخفف ضئيلة للغاية.${\displaystyle T_{i}\approx T_{m}.}$وتنخفض قدرة التبريد إلى

${\displaystyle {\dot {Q}}_{m}\;[{\text{W}}]=84\left({\dot {n}}_{3}\;[{\text{mol/s}}]\right)(T\;[{\text{K}}])^{2}.}$

لا يمكن الوصول إلى درجة حرارة انصهار منخفضة (Tm ₎ إلا إذا كانت درجة حرارة التشغيل (Ti ₎ منخفضة. في مبردات التخفيف، تُخفَّض درجة حرارة التشغيل (Ti ₎ باستخدام مبادلات حرارية كما هو موضح في الرسم التخطيطي لمنطقة درجات الحرارة المنخفضة أعلاه. مع ذلك، يصبح هذا الأمر أكثر صعوبة عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا بسبب ما يُسمى بمقاومة كابيتزا . هذه المقاومة الحرارية تقع على السطح الفاصل بين سائل الهيليوم والجسم الصلب للمبادل الحراري، وهي تتناسب عكسيًا مع درجة الحرارة ( T ⁾ ومساحة سطح التبادل الحراري (A) . بعبارة أخرى: للحصول على نفس المقاومة الحرارية، يجب زيادة مساحة السطح بمقدار 10000 ضعف إذا انخفضت درجة الحرارة بمقدار 10 أضعاف. وللحصول على مقاومة حرارية منخفضة عند درجات الحرارة المنخفضة (أقل من 30  ملي كلفن تقريبًا)، يلزم مساحة سطح كبيرة. كلما انخفضت درجة الحرارة، زادت مساحة السطح. عمليًا، يُستخدم مسحوق فضة ناعم جدًا.

لا يوجد حد أدنى أساسي لدرجة حرارة التبريد بالتخفيف. ومع ذلك، يقتصر نطاق درجة الحرارة على حوالي 2  ملي كلفن لأسباب عملية. عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، تزداد كل من لزوجة السائل المتداول وموصليته الحرارية مع انخفاض درجة الحرارة. ولتقليل التسخين الناتج عن اللزوجة، يجب أن تتناسب أقطار أنابيب الدخول والخروج لغرفة الخلط مع T ^{- 3} _م ، وللحصول على تدفق حراري منخفض، يجب أن تتناسب أطوال الأنابيب مع T ^{- 8} _م . هذا يعني أنه لخفض درجة الحرارة إلى النصف، يلزم زيادة القطر بمقدار 8 أضعاف والطول بمقدار 256 ضعفًا. وبالتالي، يجب زيادة الحجم بمقدار 2 × ¹⁴  =  16384. بعبارة أخرى: كل سنتيمتر ^مكعب عند 2  ملي كلفن سيصبح 16384  سنتيمتر ^مكعب عند 1  ملي كلفن. ستصبح هذه الأجهزة ضخمة جدًا وباهظة الثمن. هناك بديل قوي للتبريد إلى أقل من 2  ملي كلفن: التبريد بإزالة المغناطيسية النووية .

• الجدول الزمني لتكنولوجيا درجات الحرارة المنخفضة
  • الصفر المطلق - لدرجة حرارة 0 كلفن
• التبريد المغناطيسي
• ديوار للنقل المبرد

• هول، هـ. إي.؛ فورد، ب. ج.؛ طومسون، ك. (1966). "مبرد تخفيف الهيليوم-3". علم التبريد . 6 (2): 80-88 . رمز Bibcode : 1966Cryo....6...80H . doi : 10.1016/0011-2275(66)90034-8 .
• ويتلي، جيه سي؛ فيلتشيس، أو إي؛ أبيل، دبليو آر (1968). "مبادئ وأساليب التبريد بالتخفيف". مجلة فيزياء درجات الحرارة المنخفضة . 4 : 1-64 . doi : 10.1007/BF00628435 . S2CID 123091791 . 
• نينيكوسكي، ت.و. (1971). "مبرد تخفيف أفقي ذو قدرة تبريد عالية جدًا". الأدوات والأساليب النووية . 97 (1): 95-101 . Bibcode : 1971NucIM..97...95N . doi : 10.1016/0029-554X(71)90518-0 .
• فروساتي، جي جي (1992). "التقنيات التجريبية: طرق التبريد إلى ما دون 300 ملي كلفن". مجلة فيزياء درجات الحرارة المنخفضة . 87 ( 3-4 ): 595-633 . Bibcode : 1992JLTP...87..595F . CiteSeerX 10.1.1.632.2758 . doi : 10.1007/bf00114918 . S2CID 120814643 .  

• جامعة لانكستر، فيزياء درجات الحرارة المنخفضة للغاية - وصف التبريد بالتخفيف.
• جامعة هارفارد، مختبر ماركوس – دليل المسافر إلى ثلاجة التخفيف.