Wie funktioniert eigentlich die Physik hinter dem Heliumverflüssiger von QD?

Was unterscheidet den Advanced Technology Liquefier (ATL) von Quantum Design von anderen Kaltkopf-basierten Heliumverflüssigern? Haben Sie sich das auch schon einmal gefragt, oder sind Sie einfach nur neugierig, wie die Thermodynamik hinter dem auf den ersten Blick doch sehr einfachen Konzept des ATLs funktioniert? Dann lade ich Sie recht herzlich ein weiterzulesen.

Der ATL160 von Quantum Design verwendet einen zweistufigen Gifford-McMahon (GM)-Kryokühler, auch Kaltkopf genannt. Er sitzt auf einem 160 l-Dewar, welcher zusätzlich die Steuerelektronik und vor allem Druckregulatoren enthält. Um seine volle Leistung zu entfalten, verwendet der ATL160 einen sehr präzisen Druckregulator, der den Druck im Dewar genauestens steuert. Dies ist der große Unterschied im Vergleich zu anderen Verflüssigern.

Die verfügbare Kühlleistung eines Kaltkopfes steigt rasant mit steigender Temperatur an. So ist die Kühlleistung bei 4,2 K etwa 1,5 W, wohingegen die Kühlleistung bei 6 K schon 4 W beträgt. Der physikalische Effekt hinter der temperaturabhängigen Kühlleistung basiert auf der thermischen Abhängigkeit der Wärmekapazität des Arbeitsmaterials im Kaltkopf. Weitere Details können Sie in [1] nachlesen.

Wir erhalten also eine höhere Kühlleistung und damit höhere Verflüssigungsraten bei höheren Temperaturen. Höhere Heliumtemperaturen werden erreicht, indem (laut Phasendiagramm) der Druck des Heliumgases erhöht wird. Die Kondensationstemperatur von Heliumgas bei Atmosphärendruck (1 bar) ist 4,2 K. Bei 1,7 bar kondensiert Heliumgas schon bei 4,8 K. Zusammen mit der höheren Kühlleistung bei höherer Temperatur resultiert hier also eine höhere Verflüssigungsrate bei höherem Druck. Außerdem verliert Helium seine Enthalpie schneller, wenn es bei höherem Druck heruntergekühlt wird [2] Die Forschergruppe um Prof. Conrado Rillo aus Zaragoza legt ausführlich dar, wie sich die Verflüssigungsrate mit steigendem Druck im ATL160 erhöht, und dass sie bei einem maximal zulässigen Arbeitsdruck von 1,7 bar ca. 30 Liter pro Tag beträgt [2]

Außerdem zeigt sie, dass mithilfe des ATL160 flüssiges Helium mit einer Temperatur zwischen 4,2 K und 2,5 K hergestellt werden kann. Dieses nicht kochende, flüssige Helium lässt sich mit deutlich geringeren Verlusten transferieren. Prof. Rillo und seine Kollegen können mit dem superkalten Helium die Transferverluste ihres Experiments von 20 – 25 % auf etwa 3 % reduzieren.

Somit verflüssigt der ATL160 aufgrund seiner patentierten Druckkontrolle effektiver als andere Verflüssiger mit vergleichbarer Technologie und spart erhebliche Mengen an flüssigem Helium beim Transfer.

Quellen

[1] T. Kuriyama, M. Takahashi, H. Nakagome, T. Eda, H. Seshake, and T. Hashimoto, Helium liquefaction by a two-stage Gifford-McMahon-cycle refrigerator using new regenerator material of Er3Ni, Jpn. J. Appl. Phys. 31, L1206 (1992).

[2] C. Rillo, M. Gabal, M. P. Lozano, J. Sesé, S. Spagna, J. Diederichs, R. Sager, C. Chialvo, J. Terry, G. Rayner, R. Warburton and R. Reineman, Enhancement of the Liquefaction Rate in Small-Scale Helium Liquefiers Working Near and Above the Critical Point, Phys. Rev. Appl. 3, 051001 (2015).