Pulse tube refrigerator
துடிப்பு குழாய் குளிர்சாதன பெட்டி (பிடிஆர்) அல்லது துடிப்பு குழாய் கிரையோகூலர் என்பது வளர்ந்து வரும் தொழில்நுட்பமாகும், இது 1980 களின் முற்பகுதியில் தெர்மோஅகௌஸ்டிக்ஸின் பரந்த துறையில் தொடர்ச்சியான பிற கண்டுபிடிப்புகளுடன் பெரும்பாலும் வெளிப்பட்டது. மற்ற கிரையோகூலர்களுக்கு மாறாக (எ. கா. ஸ்டிர்லிங் கிரையோகூலர் மற்றும் ஜிஎம்-ரெஃப்ரிஜிரேட்டர்கள்), இந்த கிரையோகூலரை சாதனத்தின் குறைந்த வெப்பநிலை பகுதியில் பாகங்களை நகர்த்தாமல் தயாரிக்கலாம், இதனால் குளிரூட்டியானது பல்வேறு வகையான பயன்பாடுகளுக்கு ஏற்றதாக இருக்கும். பயன்பாடுகள் துடிப்பு குழாய் கிரையோகூலர்கள் குறைக்கடத்தி புனையமைப்பு போன்ற தொழில்துறை பயன்பாடுகளிலும், அகச்சிவப்பு உணரிகளின் குளிரூட்டல் போன்ற இராணுவ பயன்பாடுகளிலும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. அடாகாமா அண்டவியல் தொலைநோக்கி அல்லது கியூபிக் பரிசோதனை (அண்டவியல் ஆய்வுகளுக்கான ஒரு இன்டர்ஃபெரோமீட்டர்) போன்ற திரவ கிரையோஜன்கள் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் வானியல் கண்டுபிடிப்பாளர்களை குளிர்விக்க துடிப்பு குழாய்கள் உருவாக்கப்படுகின்றன. பிடிஆர்கள் நீர்த்த குளிர்சாதன பெட்டிகளின் முன்கூட்டிய குளிரூட்டிகளாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. ஜேம்ஸ் வெப் விண்வெளி தொலைநோக்கி போன்ற விண்வெளி அடிப்படையிலான தொலைநோக்கிகளில் துடிப்பு குழாய்கள் குறிப்பாக பயனுள்ளதாக இருக்கும், அங்கு கிரையோஜன்கள் குறைந்து வருவதால் அவற்றை நிரப்ப முடியாது. செவ்வாய் கிரகத்தில் ஆக்ஸிஜனை திரவமாக்க துடிப்பு குழாய்களைப் பயன்படுத்தலாம் என்றும் பரிந்துரைக்கப்படுகிறது. செயல்பாட்டின் கோட்பாடு படம் 1 ஸ்டிர்லிங்-வகை ஒற்றை-ஆரிஃப் துடிப்பு-குழாய் குளிர்சாதன பெட்டியைக் (பிடிஆர்) குறிக்கிறது, இது ஒரு வாயுவால் நிரப்பப்படுகிறது, பொதுவாக ஹீலியம் 10 முதல் 30 பார் வரை மாறுபடும் அழுத்தத்தில். இடமிருந்து வலமாக கூறுகள் பின்வருமாறுஃ ஒரு அமுக்கி, ஒரு பிஸ்டன் அறை வெப்பநிலையில் முன்னும் பின்னுமாக நகரும் ஒரு வெப்பப் பரிமாற்றி X1, அங்கு வெப்பம் அறை வெப்பநிலையில் சுற்றுப்புறத்திற்கு வெளியிடப்படுகிறது ஒரு பெரிய குறிப்பிட்ட வெப்பத்துடன் ஒரு நுண்ணிய ஊடகத்தைக் கொண்ட ஒரு ரீஜெனரேட்டர் (இது துருப்பிடிக்காத எஃகு கம்பி கண்ணி, செம்பு கம்பி கண்ணி, பாஸ்பர் வெண்கல கம்பி கண்ணி, ஈய பந்துகள், ஈய ஷாட் அல்லது அரிய பூமி பொருட்களாக இருக்கலாம்) இதில் வாயு முன்னும் பின்னுமாக ஒரு வெப்பப் பரிமாற்றி X2 ஐப் பாய்கிறது, இது வாயுவால் குளிர்விக்கப்படுகிறது, அங்கு பயனுள்ள குளிரூட்டும் சக்தி குறைந்த வெப்பநிலை TL இல் வழங்கப்படுகிறது, இதில் வாயு தள்ளப்படும் ஒரு குழாயை குளிர்விக்க பொருளிலிருந்து எடுக்கப்படுகிறது மற்றும் அறை வெப்பநிலைக்கு அருகில் ஒரு வெப்பப் பரிமாற்றி X3 ஐ இழுக்கிறது. அழுத்தம் படிப்படியாக மாறுபடும் மற்றும் வாயுவின் வேகம் குறைவாக இருக்கும். எனவே "துடிப்பு" குழாய் குளிரூட்டியின் பெயர் தவறாக வழிநடத்துகிறது, ஏனெனில் அமைப்பில் துடிப்புகள் இல்லை. பிஸ்டன் அவ்வப்போது இடமிருந்து வலத்திற்கும் பின்னுக்கும் நகர்கிறது. இதன் விளைவாக, வாயு இடமிருந்து வலமாக மற்றும் பின்னோக்கி நகர்கிறது, அதே நேரத்தில் அமைப்புக்குள் அழுத்தம் அதிகரிக்கிறது மற்றும் குறைகிறது. அமுக்கி இடத்தில் இருந்து வாயு வலதுபுறம் நகர்ந்தால், அது வெப்பநிலை டி. எச் உடன் ரீஜெனரேட்டருக்குள் நுழைந்து, வெப்பநிலை டி. எல் உடன் குளிர்ந்த முனையில் ரீஜெனரேட்டரை விட்டு வெளியேறுகிறது, எனவே வெப்பம் ரீஜெனரேட்டர் பொருளுக்கு மாற்றப்படுகிறது. அது திரும்பியதும், ரீஜெனரேட்டருக்குள் சேமிக்கப்படும் வெப்பம் மீண்டும் வாயுவிற்குள் மாற்றப்படுகிறது. குழாயில், வாயு வெப்பமாக தனிமைப்படுத்தப்படுகிறது (அடியாபாடிக்), எனவே குழாயில் உள்ள வாயுவின் வெப்பநிலை அழுத்தத்திற்கு ஏற்ப மாறுபடும். குழாயின் குளிர்ந்த முனையில், வெப்பநிலை TL உடன் அழுத்தம் அதிகமாக இருக்கும்போது வாயு X2 வழியாக குழாய்க்குள் நுழைகிறது மற்றும் TL க்கும் குறைவான வெப்பநிலையுடன் அழுத்தம் குறைவாக இருக்கும்போது திரும்புகிறது, எனவே X2 இலிருந்து வெப்பத்தை எடுத்துக்கொள்கிறதுஃ இது X2 இல் விரும்பிய குளிரூட்டும் விளைவை அளிக்கிறது. குறைந்த அழுத்த வாயு ஏன் குறைந்த வெப்பநிலையில் திரும்புகிறது என்பதைப் புரிந்துகொள்ள, படம் 1 ஐப் பார்த்து, எக்ஸ் 3 க்கு (சூடான முனையில்) நெருக்கமான வாயு மூலக்கூறுகளைக் கவனியுங்கள், அவை குழாய் வழியாக உள்ளேயும் வெளியேயும் நகர்கின்றன. குழாயில் அழுத்தம் குறைவாக இருக்கும்போது மூலக்கூறுகள் குழாய்க்குள் (இடதுபுறம்) பாய்கின்றன (இது X3 வழியாக குழாய்க்குள் உறிஞ்சப்படுகிறது, இது துளை மற்றும் இடையகத்திலிருந்து வருகிறது). குழாய்க்குள் நுழைந்தவுடன், அது டிஹெச் வெப்பநிலையைக் கொண்டுள்ளது. சுழற்சியின் பிற்பகுதியில், குழாயின் உள்ளே அழுத்தம் அதிகமாக இருக்கும்போது அதே வாயு மீண்டும் குழாயிலிருந்து வெளியேற்றப்படுகிறது. இதன் விளைவாக, அதன் வெப்பநிலை டி. எச். ஐ விட அதிகமாக இருக்கும். வெப்பப் பரிமாற்றி X3 இல், இது வெப்பத்தை வெளியிடுகிறது மற்றும் சுற்றுப்புற வெப்பநிலைக்கு குளிர்விக்கிறது. படம் 3 ஒரு கோஆக்சியல் துடிப்பு குழாயைக் காட்டுகிறது, இது மிகவும் பயனுள்ள உள்ளமைவாகும், இதில் ரீஜெனரேட்டர் மைய துடிப்பு குழாயைச் சுற்றி வருகிறது. இது கச்சிதமானது மற்றும் குளிர்ந்த தலையை ஒரு முடிவில் வைக்கிறது, எனவே குளிர்விக்க வேண்டியவற்றுடன் ஒருங்கிணைக்க எளிதானது. இடப்பெயர்ச்சி செயலற்ற முறையில் இயக்கப்படலாம், மேலும் இது துளையில் சிதறடிக்கப்படும் வேலையை மீட்டெடுக்கிறது. செயல்திறன் குளிரூட்டியின் செயல்திறன் முக்கியமாக ரீஜெனரேட்டரின் தரத்தால் தீர்மானிக்கப்படுகிறது. இது முரண்பட்ட தேவைகளை பூர்த்தி செய்ய வேண்டும்ஃ இது குறைந்த ஓட்ட எதிர்ப்பைக் கொண்டிருக்க வேண்டும் (எனவே இது பரந்த கால்வாய்களுடன் குறுகியதாக இருக்க வேண்டும்), ஆனால் வெப்ப பரிமாற்றமும் நன்றாக இருக்க வேண்டும் (எனவே இது குறுகிய கால்வாய்களுடன் நீண்டதாக இருக்க வேண்டும்). பொருள் ஒரு பெரிய வெப்ப திறனைக் கொண்டிருக்க வேண்டும். 50K க்கும் அதிகமான வெப்பநிலையில் நடைமுறையில் அனைத்து பொருட்களும் பொருத்தமானவை. வெண்கலம் அல்லது துருப்பிடிக்காத எஃகு பெரும்பாலும் பயன்படுத்தப்படுகிறது. 10 முதல் 50 கே வரையிலான வெப்பநிலைக்கு ஈயம் மிகவும் பொருத்தமானது. 10K க்கு கீழே ஒருவர் காந்தப் பொருட்களைப் பயன்படுத்துகிறார், அவை இந்த பயன்பாட்டிற்காக சிறப்பாக உருவாக்கப்பட்டுள்ளன. குளிரூட்டிகளின் செயல்திறன் குணகம் (COP; குறிக்கப்படுகிறது) என்று அழைக்கப்படுவது குளிரூட்டும் சக்திக்கும் அமுக்கி சக்திக்கும் இடையிலான விகிதமாக வரையறுக்கப்படுகிறது. ஒரு சரியான தலைகீழ் குளிரூட்டிக்கு, கார்னாட்டின் தேற்றத்தால் வழங்கப்படுகிறதுஃ இருப்பினும், ஒரு துடிப்பு-குழாய் குளிர்சாதன பெட்டி ஓட்டம் எதிர்ப்பைக் கொண்ட துளையின் இருப்பு காரணமாக முழுமையாக தலைகீழ் செய்ய முடியாது. அதற்கு பதிலாக, ஒரு சிறந்த பி. டி. ஆரின் சிஓபி வழங்கப்படுகிறது, இது சிறந்த குளிரூட்டிகளை விட குறைவாக உள்ளது. மற்ற குளிரூட்டிகளுடன் ஒப்பிடுகையில் பெரும்பாலான குளிரூட்டிகளில் வாயு அவ்வப்போது சுருக்கப்பட்டு விரிவடைகிறது. ஸ்டிர்லிங் என்ஜின் குளிரூட்டிகள் மற்றும் பிரபலமான கிஃபோர்ட்-மெக்மோகன் குளிரூட்டிகள் போன்ற நன்கு அறியப்பட்ட குளிரூட்டிகள் ஒரு இடப்பெயர்ச்சியைக் கொண்டுள்ளன, இது குளிரூட்டல் (விரிவாக்கம் காரணமாக) இயந்திரத்தின் வேறு பகுதியில் வெப்பத்தை விட (சுருக்கத்தின் காரணமாக) நடைபெறுவதை உறுதி செய்கிறது. அதன் புத்திசாலித்தனமான வடிவமைப்பு காரணமாக, பிடிஆர் அத்தகைய இடப்பெயர்ச்சியைக் கொண்டிருக்கவில்லை, இது பிடிஆர் கட்டுமானத்தை எளிமையாகவும், மலிவானதாகவும், நம்பகமானதாகவும் ஆக்குகிறது. மேலும், இயந்திர அதிர்வுகள் மற்றும் மின்காந்த குறுக்கீடுகள் எதுவும் இல்லை. கிரையோகூலர்கள் மற்றும் தொடர்புடைய வெப்ப இயந்திரங்களின் அடிப்படை செயல்பாட்டை டி வேல் வரலாறு டபிள்யூ. இ. கிஃபோர்ட் மற்றும் ஆர். சி. லாங்ஸ்வொர்த் ஆகியோர் 1960 களில் அடிப்படை துடிப்பு குழாய் குளிர்சாதன பெட்டி என்று அழைக்கப்படுவதைக் கண்டுபிடித்தனர். நவீன பி. டி. ஆர் 1984 ஆம் ஆண்டில் மிகுலினால் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது, அவர் அடிப்படை துடிப்பு குழாய்க்கு ஒரு துளையை அறிமுகப்படுத்தினார். அவர் 105 கே வெப்பநிலையை எட்டினார். அதன்பிறகு விரைவில், புதிய மாறுபாடுகள் கண்டுபிடிக்கப்பட்டதால் பி. டி. ஆர்கள் மேம்பட்டன. இது படம் 4 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது, அங்கு பி. டி. ஆர்களுக்கான மிகக் குறைந்த வெப்பநிலை நேரத்தின் செயல்பாடாக திட்டமிடப்பட்டுள்ளது. தற்போது, மிகக் குறைந்த வெப்பநிலை ஹீலியத்தின் கொதிநிலைக்கு (4.2K) கீழே உள்ளது. ஆரம்பத்தில் இது சாத்தியமற்றது என்று கருதப்பட்டது. சில காலத்திற்கு 4He (2.17K) என்ற லாம்ப்டா புள்ளிக்கு கீழே குளிர்விக்க முடியாது என்று தோன்றியது, ஆனால் ஐன்ட்ஹோவன் தொழில்நுட்ப பல்கலைக்கழகத்தின் குறைந்த வெப்பநிலை குழு வழக்கமான 4He ஐ அதன் அரிய ஐசோடோப்பு 3He மூலம் குளிரூட்டியாக மாற்றுவதன் மூலம் 1.73K வெப்பநிலைக்கு குளிர்விக்க முடிந்தது. பின்னர் இந்த சாதனையை கீசென் குழுமம் முறியடித்தது, இது 1.3,000 க்கும் குறைவாக இருந்தது. கீசென் மற்றும் ஐன்ட்ஹோவன் குழுக்களுக்கு இடையிலான ஒத்துழைப்பில், ஒரு பி. டி. ஆரை ஒரு சூப்பர்ஃப்ளூயிட் சுழல் குளிருடன் இணைப்பதன் மூலம் 1.2K வெப்பநிலையை அடைந்தது. துடிப்பு குழாய் குளிர்சாதன பெட்டிகளின் வகைகள் குளிர்ச்சியைப் பெறுவதற்கு, அழுத்த மாறுபாடுகளின் ஆதாரம் முக்கியமல்ல. 20K க்கும் குறைவான வெப்பநிலைகளுக்கான PTR கள் வழக்கமாக 1 முதல் 2 ஹெர்ட்ஸ் அதிர்வெண்களிலும், 10 முதல் 25 பார் வரை அழுத்த மாறுபாடுகளுடனும் செயல்படுகின்றன. அமுக்கியின் நீக்கப்பட்ட அளவு மிக அதிகமாக இருக்கும் (ஒரு லிட்டர் மற்றும் அதற்கு மேல்). எனவே, அமுக்கி குளிரூட்டியில் இருந்து இணைக்கப்படவில்லை. வால்வுகளின் அமைப்பு (பொதுவாக ஒரு சுழலும் வால்வு) மாறி மாறி அமுக்கியின் உயர் அழுத்தம் மற்றும் குறைந்த அழுத்த பக்கத்தை ரீஜெனரேட்டரின் சூடான முனையுடன் இணைக்கிறது. இந்த வகை பி. டி. ஆரின் உயர் வெப்பநிலை பகுதி ஜிஎம்-குளிரூட்டிகளைப் போலவே இருப்பதால் இந்த வகை பி. டி. ஆர் ஜிஎம்-வகை பி. டி. ஆர் என்று அழைக்கப்படுகிறது. வால்வுகள் வழியாக பாயும் வாயு ஸ்டிர்லிங்-வகை பி. டி. ஆரில் இல்லாத இழப்புகளுடன் சேர்ந்து வருகிறது. பிடிஆர்களை அவற்றின் வடிவத்திற்கு ஏற்ப வகைப்படுத்தலாம். ரீஜெனரேட்டர் மற்றும் குழாய் வரிசையில் இருந்தால் (அத்தி போல. 1) நாம் ஒரு லீனியர் பிடிஆர் பற்றி பேசுகிறோம். லீனியர் பி. டி. ஆரின் குறைபாடு என்னவென்றால், குளிர் புள்ளி குளிரூட்டியின் நடுவில் உள்ளது. பல பயன்பாடுகளுக்கு குளிரூட்டியின் முடிவில் குளிரூட்டல் உற்பத்தி செய்யப்படுவது சிறந்தது. பிடிஆர் வளைப்பதன் மூலம் யு-வடிவ குளிரூட்டியைப் பெறுகிறோம். இரண்டு சூடான முனைகளையும் அறை வெப்பநிலையில் வெற்றிட அறையின் விளிம்பில் பொருத்தலாம். இது பி. டி. ஆர்களின் மிகவும் பொதுவான வடிவமாகும். சில பயன்பாடுகளுக்கு உருளை வடிவியல் இருப்பது சிறந்தது. அவ்வாறான நிலையில் பிடிஆர் ஒரு கோஆக்சியல் வழியில் கட்டமைக்கப்படலாம், இதனால் ரீஜெனரேட்டர் குழாயைச் சுற்றியுள்ள வளைய வடிவ இடமாக மாறும். ஒற்றை-நிலை PTR களுடன் எட்டப்பட்ட மிகக் குறைந்த வெப்பநிலை 10K க்கு சற்று மேலே உள்ளது. இருப்பினும், ஒரு பிடிஆர் மற்றொன்றை முன்கூட்டியே குளிர்விக்க பயன்படுத்தப்படலாம். இரண்டாவது குழாயின் சூடான முனை அறை வெப்பநிலையுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளது, முதல் கட்டத்தின் குளிர் முனையுடன் அல்ல. இந்த புத்திசாலித்தனமான வழியில், இரண்டாவது குழாயின் சூடான முனையில் வெளியிடப்படும் வெப்பம், முதல் கட்டத்தில் ஒரு சுமையாக இருப்பது தவிர்க்கப்படுகிறது. பயன்பாடுகளில் முதல் கட்டம் வெப்பநிலை-நங்கூரமிடும் தளமாகவும் செயல்படுகிறது எ. கா. சூப்பர் கண்டக்டிங்-மேக்னெட் கிரையோஸ்டேட்டுகளின் கவசம் குளிரூட்டல். மாட்சுபாரா மற்றும் காவோ ஆகியோர் மூன்று கட்ட பி. டி. ஆர் உடன் 4K க்கு கீழே குளிர்ந்த முதல் நபர்கள் ஆவர். ஹீலியத்தின் λ-புள்ளிக்கு சற்று மேலே 2,1K என்ற இரண்டு-நிலை PTR களின் வெப்பநிலையுடன் பெறப்பட்டுள்ளன. 3He ஐ வேலை செய்யும் திரவமாகப் பயன்படுத்தி மூன்று கட்ட PTR 1.73K ஐ அடைந்துள்ளது. அறையின் வெப்பநிலையில் பி. டி. ஆர்களின் செயல்திறன் குணகம் குறைவாக இருப்பதால், அவை உள்நாட்டு குளிரூட்டலில் பங்கு வகிக்க வாய்ப்பில்லை. இருப்பினும், சுமார் 80K க்குக் கீழே செயல்திறனின் குணகம் மற்ற குளிரூட்டிகளுடன் ஒப்பிடத்தக்கது (சமன்பாடுகள் () மற்றும் () ஐ ஒப்பிடுக) மற்றும் குறைந்த வெப்பநிலை பகுதியில் நன்மைகள் மேலிடத்தைப் பெறுகின்றன. 70 கே மற்றும் 4 கே பிராந்தியத்தில் வெப்பநிலைக்கு பி. டி. ஆர்கள் வணிக ரீதியாக கிடைக்கின்றன. அவை அகச்சிவப்பு கண்டறிதல் அமைப்புகளில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, SQUID கள் போன்ற (உயர்-Tc) சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டி மற்றும் தொலைத்தொடர்புக்கான வடிப்பான்களின் அடிப்படையில் சாதனங்களில் வெப்ப சத்தத்தைக் குறைப்பதற்காக பயன்படுத்தப்படுகின்றன. சூப்பர் கண்டக்டிங் காந்தங்களைப் பயன்படுத்தி எம்ஆர்ஐ-அமைப்புகள் மற்றும் ஆற்றல் தொடர்பான அமைப்புகளை குளிர்விக்கவும் பிடிஆர்கள் பொருத்தமானவை. உலர்ந்த காந்தங்கள் என்று அழைக்கப்படுபவற்றில், குளிரூட்டிகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, இதனால் எந்த கிரையோலிக்விட் தேவையில்லை அல்லது ஆவியான ஹீலியத்தின் மறுசீரமைப்புக்கும் தேவைப்படுகிறது. மேலும் 3He-4He நீர்த்த குளிர்சாதன பெட்டிகளுடன் 2mK வரை வெப்பநிலை பகுதிக்கான கிரையோகூலர்களின் கலவையானது கவர்ச்சிகரமானதாக இருக்கிறது, ஏனெனில் இந்த வழியில் அறை வெப்பநிலை முதல் 2mK வரை முழு வெப்பநிலை வரம்பையும் அணுகுவது எளிது. குறைந்த வெப்பநிலை தொழில்நுட்பத்தின் கிரையோகூலர் ரீஜெனரேட்டிவ் குளிரூட்டும் காலவரிசையையும் பார்க்கவும் மேற்கோள்கள் வெளிப்புற இணைப்புகள் பல்ஸ் குழாய் குளிர்சாதன பெட்டிகளின் ஒரு குறுகிய வரலாறு (நாசா) ஷி கிரையோஜெனிக்ஸ் குரூப் ஹோம் கிரையோமெக் ஹோம் பல்ஸ்-குழாய் அனிமேஷன் (தலேஸ் கிரையோஜெனிக்ஸ்) ஜேம்ஸ் வெப் விண்வெளி தொலைநோக்கி கிரையோகூலர் (ஜே. டபிள்யூ. எஸ். டி/நாசா) குளிரூட்டும் தொழில்நுட்பம் கிரையோஜெனிக்ஸ் வெப்ப இயக்கவியல் சுழற்சிகள்