Auf der Suche nach Wasserstoff-
verunreinigungen in flüssigem Helium
Abb. 1: Dampfdruck von He(I), H2, Ne, N2 und O2 in Abhängigkeit der Temperatur
Alex Chuquitarqui aus der Gruppe von Prof. Conrado Rillo von der Universität Zaragoza ist auf der Suche nach Wasserstoffspuren in flüssigem Helium. Dass es diese gibt, zeigt ein Blick auf den Dampfdruck von Wasserstoff in Abhängigkeit der Temperatur. Denn bei 4,2 K ist der Dampfdruck von Wasserstoff immer noch hoch genug, um flüssiges Helium mit einer nicht unerheblichen Menge zu verunreinigen (siehe Abbildung 1).
Ursachen für Wasserstoffverunreinigungen gibt es zahlreiche. Bereits bei der Förderung von Helium kann die Quelle Spuren von Wasserstoff aufweisen, Öldegradation in Pumpen und Kompressoren bei der Rückgewinnung kann zu Wasserstoffbildung führen, sowie das Ausgasen von metallischen Rohren bzw. Tanks und die Diffusion durch Kunststoffrohre und Gasballons. Somit weist so gut wie jeder Dewar mit flüssigem Helium eine nicht zu vernachlässigende Menge an Wasserstoff auf.
Abb. 2: Schematischer Aufbau der Wasserstoff-Sonde (links) und realer Aufbau (rechts)
An sich ist der gelöste Wasserstoff unproblematisch. Wird jedoch das flüssige Helium durch eine Kapillare gepumpt, kühlt es lokal ab und der gelöste Wasserstoff friert als Festkörper aus und führt zu einem Verschluss [1]. Eine Kapillare zur Temperatursteuerung wird bei vielen Kryostaten eingesetzt, die eine schnelle und genaue Temperaturregelung benötigen. Eine Verstopfung führt dazu, dass die Basistemperatur der Systeme nicht mehr erreicht werden kann und diese aufgewärmt werden müssen um die geblockte Kapillare wieder zu befreien.
Wasserstoffverunreinigungen können jedoch recht einfach in flüssigem Helium nachgewiesen werden. Dies gelingt mit einer einfachen Sonde, die die Gruppe von Prof. Rillo entwickelt hat. Sie besteht aus einer Test-Kapillare, die an eine Vakuumpumpe angeschlossen wird (siehe Abbildung 2).
Alex Chuquitarqui ist auf der Suche nach Kooperationspartnern, die den H2-Detektor einsetzen möchten. Falls Sie daran Interesse haben, bekommen Sie ein kostenloses Exemplar des Detektors zugesandt, damit Sie den Wasserstoffgehalt in Ihrem flüssigen Helium nachweisen und die Zeit bis zur Blockierung der Kapillare quantifizieren können. So verhindern Sie, dass mit Wasserstoff kontaminiertes flüssiges Helium für kritische Anwendungen verwendet wird.
Das Projekt wird vom spanischen Ministerium für Wissenschaft, Innovation und Universitäten unter der Projektnummer MAT2015-64083-R unterstützt. Alex Chuquitarqui kann unter folgender E-Mail-Adresse direkt kontaktiert werden: achuquitarquiunizar.es
[1] M. Gabal et al., Hydrogen-Free Liquid-Helium Recovery Plants: The Solution for Low-Temperature Flow Impedance Blocking, Phys. Rev. Applied 6, 024017 (2016).
