Techniklexikon

3He-4He-Entmischungskühlung

³He-⁴He-Entmischungskühlung, dilution refrigeration, das verbreitetste nichtmagnetische Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen zwischen 2 mK und 0,5 K (magnetische Kühlung). Das Verfahren beruht auf der »Quasi-Verdampfungskühlung« von in ⁴He gelösten ³He-Atomen, die von einer konzentrierten Lösung (Quasiflüssigkeit) in eine verdünnte Lösung (Quasigas) übertreten. Die Trennung in diese beiden Phasen (Entmischung) geschieht in einem ³He-⁴He-Gemisch automatisch bei Temperaturen unter 0,86 K, wie bereits 1956 von Walters und Fairbank nachgewiesen wurde. Die leichtere Phase b ist dabei normalflüssig und reich an ³He (bei 0,2 K ca. 96 %), in der schwereren Phase a ist das ⁴He supraflüssig, sie enthält bei 0,2 K nur etwa 9 % ³He (Suprafluidität). Wird nun kontinuierlich aus der unteren Phase ³He selektiv entfernt, so treten zur Wiederherstellung des Lösungsgleichgewichts ³He-Atome aus der oberen in die untere Phase über. Dabei wird, analog dem Verdampfen aus einer Flüssigkeit, der oberen Phase Wärme entzogen. Die selektive Entfernung von ³He geschieht durch Abpumpen in eine Verdampfungskammer V, die mit der Mischungskammer M verbunden ist. V wird auf einer Temperatur von ca. 0,7 K gehalten (Heizer H₂), da ³He bei dieser Temperatur einen deutlich grösseren Dampfdruck besitzt als ⁴He. Das abgepumpte ³He-Gas wird bei 1 K auf ca. 130 mbar verdichtet, kondensiert und dann flüssig durch einen Strömungswiderstand W wieder auf 0,1 bar gebracht. Schliesslich wird es in einem Wärmetauscher T vorgekühlt und der Phase b in der Mischungskammer wiederzugeführt (Abb. 1).

Mit einem Entmischungsrefrigerator (Entmischungskryostat, ³He-⁴He-Mischkryostat) in der beschriebenen Bauweise können Temperaturen um 5 mK beliebig lange aufrechterhalten werden, im diskontinuierlichen Betrieb können 2 mK erreicht werden. Die Kälteleistung kann durch Regelung des ³He-Stromes und durch einen Heizer H₁ in der Mischungskammer gesteuert werden. Die erzielbare Kälteleistung ist durch die Enthalpiebilanz der Mischkammer gegeben: , wo n₃ der ³He-Durchsatz in mol s^-1, H_3d die molare Enthalpie der verdünnten Phase bei der Temperatur der Mischkammer T_m und H_3c die molare Enthalpie der konzentrierten Phase bei Eintrittstemperatur T_e in die Mischkammer ist. Neben möglichen Wärmelecks (bereits 10^-6 W stören den Betrieb erheblich) sind vor allem die geringen Wärmetauscherkapazitäten problematisch. Noch geringere Temperaturen können nichtmagnetisch durch Pomerantschuk-Kühlung erzeugt werden (1 bis 30 mK), vor allem aber durch Kern-Entmagnetisierung (bis 0,5 nK).

³He-⁴He-Entmischungskühlung: Schematischer Aufbau eines Entmischungsrefrigerators (³He-⁴He-Mischkryostat): M: Mischungskammer (ca. 5 mK), a: »schwere«, ³He-arme Phase (⁴He supraflüssig), b: »leichte«, ³He-reiche Phase (normalflüssig), R_1,2: Rohre für den ³He-Kreislauf, V: Verdampfungskammer (ca. 0,7 K), T: Wärmetauscher, H_1,2: Heizer, P: Pumpe, K: Vorkühler, C: Kondensator (ca. 1 K), W: Strömungswiderstand, Sch: Schirmung gegen Wärmeeinstrahlung, O: Messobjekt, I: ³He-Zirkulationsstrom.