Pulse tube refrigerator
পালস টিউব রেফ্রিজারেটর (পিটিআর) বা পালস টিউব ক্রায়োকুলার একটি উন্নয়নশীল প্রযুক্তি যা মূলত 1980-এর দশকের গোড়ার দিকে তাপবিদ্যুৎবিজ্ঞানের বিস্তৃত ক্ষেত্রে অন্যান্য উদ্ভাবনের একটি সিরিজের সাথে আবির্ভূত হয়েছিল। অন্যান্য ক্রায়োকুলারের বিপরীতে (যেমন। স্টার্লিং ক্রায়োকুলার এবং জিএম-রেফ্রিজারেটর), এই ক্রায়োকুলারটি যন্ত্রের নিম্ন তাপমাত্রার অংশে অংশগুলি না সরিয়ে তৈরি করা যেতে পারে, যা কুলারটিকে বিভিন্ন ধরনের প্রয়োগের জন্য উপযুক্ত করে তোলে। পালস টিউব ক্রায়োকুলারগুলি সেমিকন্ডাক্টর ফ্যাব্রিকেশন এবং ইনফ্রারেড সেন্সরগুলির শীতলকরণের মতো সামরিক প্রয়োগগুলিতে শিল্প প্রয়োগগুলিতে ব্যবহৃত হয়। অ্যাটাকামা কসমোলজি টেলিস্কোপ বা কিউবিক এক্সপেরিমেন্ট (মহাবিশ্ববিজ্ঞান অধ্যয়নের জন্য একটি ইন্টারফেরোমিটার)-এর মতো তরল ক্রায়োজেনগুলি সাধারণত ব্যবহৃত হয় এমন জ্যোতির্বিজ্ঞান সনাক্তকারীগুলিকে শীতল করার জন্য পালস টিউবগুলিও তৈরি করা হচ্ছে। পিটিআরগুলি ডিলিউশন রেফ্রিজারেটরের প্রিকুলার হিসাবে ব্যবহৃত হয়। জেমস ওয়েব স্পেস টেলিস্কোপের মতো মহাকাশ-ভিত্তিক টেলিস্কোপগুলিতে পালস টিউবগুলি বিশেষভাবে কার্যকর যেখানে ক্রায়োজেনগুলি হ্রাস পাওয়ায় সেগুলি পুনরায় পূরণ করা সম্ভব নয়। এটিও পরামর্শ দেওয়া হয়েছে যে মঙ্গল গ্রহে অক্সিজেন তরল করার জন্য পালস টিউব ব্যবহার করা যেতে পারে। অপারেশন নীতি চিত্র 1 স্টার্লিং-টাইপ সিঙ্গল-ওরিফিস পালস-টিউব রেফ্রিজারেটর (পিটিআর) কে উপস্থাপন করে, যা একটি গ্যাস দিয়ে ভরা হয়, সাধারণত 10 থেকে 30 বার পর্যন্ত পরিবর্তিত চাপে হিলিয়াম। বাম থেকে ডানে উপাদানগুলি হলঃ একটি কম্প্রেসার, যেখানে একটি পিস্টন ঘরের তাপমাত্রায় টি. এইচ-এ পিছনে পিছনে চলে যায়, একটি তাপ বিনিময়কারী এক্স1 যেখানে তাপ ঘরের তাপমাত্রায় আশেপাশে ছেড়ে দেওয়া হয়, একটি বড় নির্দিষ্ট তাপ (যা স্টেইনলেস স্টিলের তারের জাল, তামার তারের জাল, ফসফর ব্রোঞ্জের তারের জাল, সীসা বল, সীসা শট বা বিরল মাটির উপকরণ হতে পারে) সহ একটি ছিদ্রযুক্ত মাধ্যমের সমন্বয়ে গঠিত একটি রিজেনারেটর যেখানে গ্যাস দ্বারা শীতল একটি তাপ বিনিময়কারী এক্স2-এর পিছনে পিছনে প্রবাহিত হয়, যেখানে দরকারী শীতল শক্তি কম তাপমাত্রায় টিএল-এ সরবরাহ করা হয়, একটি নল শীতল করার জন্য বস্তু থেকে নেওয়া হয় যেখানে গ্যাসকে ধাক্কা দেওয়া হয় এবং ঘরের তাপমাত্রার কাছে একটি তাপ বিনিময়কারী এক্স3 টানা হয় যেখানে তাপ ছেড়ে দেওয়া হয়। চাপ ধীরে ধীরে পরিবর্তিত হয় এবং গ্যাসের বেগ কম হয়। সুতরাং "পালস" টিউব কুলার নামটি বিভ্রান্তিকর, কারণ সিস্টেমে কোনও পালস নেই। পিস্টন পর্যায়ক্রমে বাম থেকে ডান এবং পিছনে চলে যায়। ফলস্বরূপ, গ্যাস বাম থেকে ডান এবং পিছনে চলে যায় এবং সিস্টেমের মধ্যে চাপ বৃদ্ধি এবং হ্রাস পায়। যদি সংকোচকারী স্থান থেকে গ্যাসটি ডানদিকে চলে যায়, তবে এটি তাপমাত্রা টি. এইচ সহ রিজেনারেটরে প্রবেশ করে এবং তাপমাত্রা টি. এল সহ ঠান্ডা প্রান্তে রিজেনারেটরটি ছেড়ে দেয়, তাই তাপ রিজেনারেটর উপাদানের মধ্যে স্থানান্তরিত হয়। এটি ফিরে আসার পরে, রিজেনারেটরের মধ্যে সঞ্চিত তাপ আবার গ্যাসে স্থানান্তরিত হয়। নলের মধ্যে, গ্যাসটি তাপীয়ভাবে বিচ্ছিন্ন (অ্যাডিয়াব্যাটিক), তাই নলের মধ্যে গ্যাসের তাপমাত্রা চাপের সাথে পরিবর্তিত হয়। নলের শীতল প্রান্তে, গ্যাসটি এক্স 2-এর মাধ্যমে নলটিতে প্রবেশ করে যখন তাপমাত্রা টিএল-এর সাথে চাপ বেশি থাকে এবং যখন চাপ টিএল-এর নিচে তাপমাত্রা সহ কম হয় তখন ফিরে আসে, তাই এক্স 2 থেকে তাপ গ্রহণ করেঃ এটি এক্স 2-এ পছন্দসই শীতল প্রভাব দেয়। নিম্নচাপের গ্যাস কেন কম তাপমাত্রায় ফিরে আসে তা বোঝার জন্য, চিত্র 1-এর দিকে তাকান এবং X3-এর কাছাকাছি (গরম প্রান্তে) গ্যাস অণুগুলি বিবেচনা করুন, যা ছিদ্রের মধ্য দিয়ে নলের ভিতরে এবং বাইরে চলে যায়। নলের চাপ কম হলে অণুগুলি নলের মধ্যে (বাম দিকে) প্রবাহিত হয় (এটি ছিদ্র এবং বাফার থেকে আসা এক্স 3 এর মাধ্যমে নলের মধ্যে চুষে নেওয়া হয়)। নলটিতে প্রবেশ করার পরে, এটির তাপমাত্রা টিএইচ হয়। চক্রের পরবর্তী সময়ে, নলের ভিতরের চাপ বেশি হলে আবার একই ভরের গ্যাস নল থেকে বের করে দেওয়া হয়। ফলস্বরূপ, এর তাপমাত্রা টিএইচ-এর চেয়ে বেশি হবে। তাপ বিনিময়কারী এক্স3-তে, এটি তাপ মুক্ত করে এবং পরিবেষ্টিত তাপমাত্রা টিএইচ-তে শীতল হয়। চিত্র 3 একটি সমাক্ষ পালস টিউব দেখায়, যা একটি আরও দরকারী বিন্যাস যেখানে রিজেনারেটর কেন্দ্রীয় পালস টিউবকে ঘিরে রাখে। এটি কম্প্যাক্ট এবং ঠান্ডা মাথাটি একটি প্রান্তে রাখে, তাই যা ঠান্ডা করতে হবে তার সাথে একীভূত করা সহজ। ডিসপ্লেসারটি নিষ্ক্রিয়ভাবে চালিত হতে পারে এবং এটি এমন কাজ পুনরুদ্ধার করে যা অন্যথায় ছিদ্রের মধ্যে নষ্ট হয়ে যেত। কর্মক্ষমতা কুলারের কর্মক্ষমতা মূলত রিজেনারেটরের গুণমান দ্বারা নির্ধারিত হয়। এটিকে পরস্পরবিরোধী প্রয়োজনীয়তা পূরণ করতে হবেঃ এটির অবশ্যই কম প্রবাহ প্রতিরোধ ক্ষমতা থাকতে হবে (তাই এটি প্রশস্ত চ্যানেলের সাথে সংক্ষিপ্ত হতে হবে), তবে তাপ বিনিময়ও ভাল হওয়া উচিত (তাই এটি সংকীর্ণ চ্যানেলের সাথে দীর্ঘ হতে হবে)। উপাদানটির অবশ্যই একটি বড় তাপ ক্ষমতা থাকতে হবে। 50 কে এর উপরে তাপমাত্রায় কার্যত সমস্ত উপকরণ উপযুক্ত। ব্রোঞ্জ বা স্টেইনলেস স্টিল প্রায়শই ব্যবহার করা হয়। 10 থেকে 50 কে-র মধ্যে তাপমাত্রার জন্য সীসা সবচেয়ে উপযুক্ত। 10 কে এর নিচে চৌম্বকীয় উপাদান ব্যবহার করা হয় যা এই প্রয়োগের জন্য বিশেষভাবে তৈরি করা হয়। কুলারগুলির তথাকথিত কর্মক্ষমতার সহগ (সি. ও. পি; চিহ্নিত)-কে কুলিং পাওয়ার এবং কম্প্রেসার পাওয়ার পি-এর মধ্যে অনুপাত হিসাবে সংজ্ঞায়িত করা হয়। একটি নিখুঁতভাবে বিপরীতমুখী কুলারের জন্য, কার্নোটের উপপাদ্য দ্বারা দেওয়া হয়েছেঃ তবে, একটি পালস-টিউব রেফ্রিজারেটর ছিদ্রের উপস্থিতির কারণে পুরোপুরি বিপরীতমুখী নয়, যার প্রবাহ প্রতিরোধ রয়েছে। পরিবর্তে, একটি আদর্শ পিটিআর-এর সিওপি দেওয়া হয় যা আদর্শ কুলারের চেয়ে কম। অন্যান্য কুলারের সাথে তুলনা বেশিরভাগ কুলারে গ্যাস পর্যায়ক্রমে সংকুচিত এবং প্রসারিত হয়। সুপরিচিত কুলার যেমন স্টার্লিং ইঞ্জিন কুলার এবং জনপ্রিয় গিফোর্ড-ম্যাকমোহন কুলারগুলির একটি ডিসপ্লেসার রয়েছে যা নিশ্চিত করে যে শীতলকরণ (সম্প্রসারণের কারণে) গরম করার (সংকোচনের কারণে) চেয়ে মেশিনের একটি ভিন্ন অঞ্চলে ঘটে। তার চতুর নকশার কারণে, পিটিআর-এর এমন একটি স্থানচ্যুতিকারী নেই, যা পিটিআর-এর নির্মাণকে সহজ, সস্তা এবং আরও নির্ভরযোগ্য করে তোলে। উপরন্তু, কোনও যান্ত্রিক কম্পন এবং কোনও তড়িৎ-চৌম্বকীয় হস্তক্ষেপ নেই। ডি ওয়েলে হিস্ট্রি ডব্লিউ. ই. গিফোর্ড এবং আর. সি. লংসওয়ার্থ 1960-এর দশকে তথাকথিত বেসিক পালস টিউব রেফ্রিজারেটর আবিষ্কার করেন। আধুনিক পিটিআর 1984 সালে মিকুলিন দ্বারা উদ্ভাবিত হয়েছিল যিনি মৌলিক পালস টিউবে একটি ছিদ্র প্রবর্তন করেছিলেন। তাঁর তাপমাত্রা 105 ডিগ্রি সেলসিয়াসে পৌঁছেছে। এর পরপরই, নতুন বৈচিত্র্যের উদ্ভাবনের কারণে পিটিআরগুলি আরও ভাল হয়ে ওঠে। এটি চিত্র 4-এ দেখানো হয়েছে, যেখানে পিটিআর-এর জন্য সর্বনিম্ন তাপমাত্রা সময়ের একটি ফাংশন হিসাবে অঙ্কিত করা হয়েছে। এই মুহূর্তে সর্বনিম্ন তাপমাত্রা হিলিয়ামের বয়লিং পয়েন্টের (4.2 কে) নিচে। প্রাথমিকভাবে এটিকে অসম্ভব বলে মনে করা হত। কিছু সময়ের জন্য মনে হয়েছিল যে 4He (2.17K)-এর ল্যাম্বডা বিন্দুর নিচে শীতল করা অসম্ভব, কিন্তু আইন্ডহোভেন ইউনিভার্সিটি অফ টেকনোলজির নিম্ন-তাপমাত্রার গ্রুপটি তার বিরল আইসোটোপ 3He দ্বারা রেফ্রিজারেন্ট হিসাবে স্বাভাবিক 4He প্রতিস্থাপন করে 1.73K তাপমাত্রায় শীতল করতে সক্ষম হয়েছিল। পরে এই রেকর্ডটি গেইসেন গ্রুপ ভেঙে দেয় যা 1 লক্ষ 30 হাজারের নিচে নামতে সক্ষম হয়। জিসেন এবং আইন্ডহোভেনের গোষ্ঠীগুলির মধ্যে সহযোগিতায় একটি পি. টি. আর-কে একটি সুপারফ্লুইড ভোর্টেক্স কুলারের সাথে একত্রিত করে 1.2 কে তাপমাত্রায় পৌঁছানো হয়েছিল। পালস-টিউব রেফ্রিজারেটরের প্রকার শীতল হওয়ার জন্য, চাপের বৈচিত্র্যের উৎস গুরুত্বহীন। 20 কে-এর নিচে তাপমাত্রার জন্য পিটিআরগুলি সাধারণত 1 থেকে 2 হার্জ ফ্রিকোয়েন্সিতে এবং 10 থেকে 25 বার পর্যন্ত চাপের তারতম্য সহ কাজ করে। কম্প্রেসারের সুইপ্ট ভলিউম খুব বেশি হবে (এক লিটার এবং তার বেশি)। অতএব, কম্প্রেসারটি কুলার থেকে বিচ্ছিন্ন থাকে। ভালভের একটি ব্যবস্থা (সাধারণত একটি ঘূর্ণায়মান ভালভ) পর্যায়ক্রমে কম্প্রেসারের উচ্চ-চাপ এবং নিম্ন-চাপের দিকটিকে রিজেনারেটরের গরম প্রান্তের সাথে সংযুক্ত করে। যেহেতু এই ধরনের পিটিআর-এর উচ্চ-তাপমাত্রার অংশটি জিএম-কুলারগুলির মতোই, তাই এই ধরনের পিটিআর-কে জিএম-টাইপ পিটিআর বলা হয়। ভালভের মধ্য দিয়ে গ্যাসের প্রবাহ ক্ষতির সাথে থাকে যা স্টার্লিং-টাইপ পিটিআর-এ অনুপস্থিত। পিটিআরগুলিকে তাদের আকৃতি অনুযায়ী শ্রেণীবদ্ধ করা যেতে পারে। যদি রিজেনারেটর এবং টিউব সারিতে থাকে (যেমন ফিগারে রয়েছে। 1) আমরা একটি রৈখিক পিটিআর সম্পর্কে কথা বলি। রৈখিক পিটিআর-এর অসুবিধা হল শীতল স্থানটি কুলারের মাঝখানে থাকে। অনেক প্রয়োগে কুলারের শেষে কুলিং তৈরি করাই শ্রেয়। পিটিআর বাঁকানোর মাধ্যমে আমরা একটি ইউ-আকৃতির কুলার পাই। উভয় গরম প্রান্ত ঘরের তাপমাত্রায় ভ্যাকুয়াম চেম্বারের ফ্ল্যাঞ্জে লাগানো যেতে পারে। এটি পিটিআর-এর সবচেয়ে সাধারণ আকৃতি। কিছু প্রয়োগের জন্য নলাকার জ্যামিতি থাকা শ্রেয়। সেক্ষেত্রে পিটিআর একটি সমাক্ষ পদ্ধতিতে তৈরি করা যেতে পারে যাতে রিজেনারেটরটি নলের চারপাশে একটি রিং-আকৃতির জায়গায় পরিণত হয়। একক পর্যায়ের পিটিআর সহ সর্বনিম্ন তাপমাত্রা 10 কে-এর ঠিক উপরে পৌঁছেছে। যাইহোক, একটি পিটিআর অন্যটিকে প্রিকুল করতে ব্যবহার করা যেতে পারে। দ্বিতীয় নলের গরম প্রান্তটি ঘরের তাপমাত্রার সাথে সংযুক্ত থাকে এবং প্রথম পর্যায়ের ঠান্ডা প্রান্তের সাথে নয়। এই চতুর উপায়ে এটি এড়ানো হয় যে দ্বিতীয় নলের গরম প্রান্তে নির্গত তাপ প্রথম পর্যায়ে একটি বোঝা। প্রয়োগগুলিতে প্রথম পর্যায়টি তাপমাত্রা-নোঙ্গরকারী প্ল্যাটফর্ম হিসাবেও কাজ করে যেমন সুপারকন্ডাক্টিং-চৌম্বক ক্রায়োস্ট্যাটগুলির ঢাল শীতলকরণ। মাতসুবারা এবং গাও প্রথম তিন-পর্যায়ের পিটিআর দিয়ে 4 কে-র নিচে শীতল হয়েছিল। 2. 1 কে-এর দুই-পর্যায়ের পিটিআর তাপমাত্রা সহ, তাই হিলিয়ামের λ-বিন্দুর ঠিক উপরে পাওয়া গেছে। একটি তিন-পর্যায়ের পিটিআর 1.73K-এর সঙ্গে 3হে-কে কার্যকরী তরল হিসাবে ব্যবহার করে পৌঁছানো হয়েছে। সম্ভাবনা ঘরের তাপমাত্রায় পিটিআর-এর কার্যকারিতার সহগ কম, তাই ঘরোয়া শীতলকরণে এগুলির কোনও ভূমিকা থাকার সম্ভাবনা নেই। যাইহোক, প্রায় 80 কে এর নিচে কর্মক্ষমতার সহগ অন্যান্য কুলারগুলির সাথে তুলনীয় (সমীকরণ () এবং () তুলনা করুন) এবং নিম্ন-তাপমাত্রা অঞ্চলে সুবিধাগুলি উপরের দিকে থাকে। 70 কে এবং 4 কে অঞ্চলে তাপমাত্রার জন্য পি. টি. আর বাণিজ্যিকভাবে উপলব্ধ। এগুলি ইনফ্রারেড সনাক্তকরণ ব্যবস্থায় প্রয়োগ করা হয়, এসকিউইউআইডি-র মতো (উচ্চ-টিসি) সুপারকন্ডাক্টিভিটি এবং টেলিযোগাযোগের জন্য ফিল্টারগুলির উপর ভিত্তি করে যন্ত্রগুলিতে তাপীয় শব্দ হ্রাস করার জন্য। পিটিআরগুলি সুপারকন্ডাক্টিং চুম্বক ব্যবহার করে এমআরআই-সিস্টেম এবং শক্তি-সম্পর্কিত সিস্টেমগুলিকে শীতল করার জন্যও উপযুক্ত। তথাকথিত শুষ্ক চুম্বকগুলিতে, কুলার ব্যবহার করা হয় যাতে কোনও ক্রায়োলিকুইডের প্রয়োজন না হয় বা বাষ্পীভূত হিলিয়ামের পুনঃসংক্ষেপণের জন্য। এছাড়াও 3He-4He ডাইল্যুশন রেফ্রিজারেটরের সাথে ক্রায়োকুলারগুলির সংমিশ্রণ 2mK পর্যন্ত তাপমাত্রা অঞ্চলের জন্য আকর্ষণীয় কারণ এইভাবে ঘরের তাপমাত্রা থেকে 2mK পর্যন্ত পুরো তাপমাত্রার পরিসীমা অ্যাক্সেস করা সহজ। আরও দেখুন ক্রায়োকুলার রিজেনারেটিভ কুলিং টাইমলাইন অফ লো-টেম্পারেচার টেকনোলজি রেফারেন্স এক্সটার্নাল লিঙ্ক এ শর্ট হিস্ট্রি অফ পালস টিউব রেফ্রিজারেটরস (নাসা) এস. এইচ. আই ক্রায়োজেনিক্স গ্রুপ হোম ক্রায়োম্যাক হোম পালস-টিউব অ্যানিমেশন (থেলস ক্রায়োজেনিক্স) জেমস ওয়েব স্পেস টেলিস্কোপ ক্রায়োকুলার (জে. ডব্লিউ. এস. টি/নাসা) কুলিং টেকনোলজি ক্রায়োজেনিক্স থার্মোডাইনামিক চক্র