Pulse tube refrigerator
پلس ٹیوب ریفریجریٹر (پی ٹی آر) یا پلس ٹیوب کریو کولر ایک ترقی پذیر ٹیکنالوجی ہے جو بڑی حد تک 1980 کی دہائی کے اوائل میں تھرموکاسٹکس کے وسیع میدان میں دیگر اختراعات کے سلسلے کے ساتھ ابھری۔ دوسرے کریو کولرز کے برعکس (مثال کے طور پر۔ سٹرلنگ کریو کولر اور جی ایم ریفریجریٹر)، یہ کریو کولر آلہ کے کم درجہ حرارت والے حصے میں حصوں کو منتقل کیے بغیر بنایا جا سکتا ہے، جس سے کولر مختلف قسم کے ایپلی کیشنز کے لیے موزوں ہو جاتا ہے۔ پلس ٹیوب کریو کولرز کا استعمال صنعتی ایپلی کیشنز جیسے سیمی کنڈکٹر فیبریکیشن اور فوجی ایپلی کیشنز جیسے اورکت سینسرز کی ٹھنڈک کے لیے کیا جاتا ہے۔ فلکیاتی ڈٹیکٹرز کو ٹھنڈا کرنے کے لیے پلس ٹیوبیں بھی تیار کی جا رہی ہیں جہاں مائع کریوجینز عام طور پر استعمال ہوتے ہیں، جیسے کہ اتاکاما کاسمولوجی ٹیلی اسکوپ یا کیوبک تجربہ (کاسمولوجی اسٹڈیز کے لیے ایک انٹرفیرومیٹر)۔ پی ٹی آر کو ڈائلیوشن ریفریجریٹرز کے پری کولر کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ پلس ٹیوبیں خاص طور پر خلا پر مبنی دوربینوں جیسے جیمز ویب اسپیس ٹیلی اسکوپ میں مفید ہیں جہاں کریوجینز کو بھرنا ممکن نہیں ہے کیونکہ وہ ختم ہو چکے ہیں۔ یہ بھی تجویز کیا گیا ہے کہ پلس ٹیوبوں کو مریخ پر آکسیجن کو مائع بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ آپریشن کا اصول شکل 1 سٹرلنگ قسم کے سنگل اوریفیس پلس ٹیوب ریفریجریٹر (پی ٹی آر) کی نمائندگی کرتا ہے، جو ایک گیس سے بھرا ہوتا ہے، عام طور پر ہیلیم 10 سے 30 بار تک مختلف دباؤ پر ہوتا ہے۔ بائیں سے دائیں اجزاء یہ ہیں: ایک کمپریسر، جس میں ایک پسٹن کمرے کے درجہ حرارت پر آگے پیچھے حرکت کرتا ہے، ایک ہیٹ ایکسچینجر X1 جہاں گرمی کو کمرے کے درجہ حرارت پر ارد گرد چھوڑا جاتا ہے، ایک ری جنریٹر جس میں ایک سوراخ دار میڈیم ہوتا ہے جس میں ایک بڑی مخصوص گرمی ہوتی ہے (جو سٹینلیس سٹیل کے تار کی میش، تانبے کے تار کی میش، فاسفور کانسی کے تار کی میش، لیڈ بالز، لیڈ شاٹ، یا نایاب ارتھ میٹریل ہو سکتا ہے) جس میں گیس ایک ہیٹ ایکسچینجر X2 کے آگے پیچھے بہتی ہے، جسے گیس کے ذریعے ٹھنڈا کیا جاتا ہے، جہاں مفید کولنگ پاور کو کم درجہ حرارت TL پر پہنچایا جاتا ہے، جسے چیز سے لیا جاتا ہے تاکہ ایک ٹیوب کو ٹھنڈا کیا جا سکے جس میں گیس کو دھکیل دیا جاتا ہے اور کمرے کے درجہ حرارت کے قریب ہیٹ ایکس 3 کو کھینچا جاتا ہے جہاں گرمی چھوڑی جاتی ہے۔ دباؤ بتدریج بدلتا ہے اور گیس کی رفتار کم ہوتی ہے۔ لہذا "پلس" ٹیوب کولر کا نام گمراہ کن ہے، کیونکہ نظام میں دال نہیں ہیں۔ پسٹن وقتا فوقتا بائیں سے دائیں اور پیچھے کی طرف حرکت کرتا ہے۔ نتیجے کے طور پر گیس بھی بائیں سے دائیں اور پیچھے کی طرف چلتی ہے جبکہ نظام کے اندر دباؤ بڑھتا اور کم ہوتا ہے۔ اگر کمپریسر کی جگہ سے گیس دائیں طرف چلی جاتی ہے، تو یہ درجہ حرارت ٹی ایچ کے ساتھ ری جنریٹر میں داخل ہوتی ہے اور درجہ حرارت ٹی ایل کے ساتھ سرد سرے پر ری جنریٹر کو چھوڑ دیتی ہے، اس لیے گرمی کو ری جنریٹر مواد میں منتقل کیا جاتا ہے۔ اس کی واپسی پر، ری جنریٹر کے اندر ذخیرہ شدہ حرارت کو گیس میں واپس منتقل کر دیا جاتا ہے۔ ٹیوب میں، گیس تھرمل طور پر الگ تھلگ (اڈیبیٹک) ہوتی ہے، اس لیے ٹیوب میں گیس کا درجہ حرارت دباؤ کے ساتھ مختلف ہوتا ہے۔ ٹیوب کے ٹھنڈے سرے پر، گیس X2 کے ذریعے ٹیوب میں داخل ہوتی ہے جب دباؤ درجہ حرارت TL کے ساتھ زیادہ ہوتا ہے اور جب دباؤ TL سے نیچے درجہ حرارت کے ساتھ کم ہوتا ہے تو واپس آتا ہے، اس لیے X2 سے حرارت لیتا ہے: اس سے X2 پر مطلوبہ ٹھنڈک کا اثر ملتا ہے۔ یہ سمجھنے کے لیے کہ کم دباؤ والی گیس کم درجہ حرارت پر کیوں واپس آتی ہے، شکل 1 کو دیکھیں اور X3 (گرم سرے پر) کے قریب گیس کے مالیکیولز پر غور کریں، جو سوراخ کے ذریعے ٹیوب کے اندر اور باہر جاتے ہیں۔ جب ٹیوب میں دباؤ کم ہوتا ہے تو مالیکیول ٹیوب میں (بائیں طرف) بہتے ہیں (اسے ایکس 3 کے ذریعے ٹیوب میں چوس لیا جاتا ہے، جو سوراخ اور بفر سے آتا ہے)۔ ٹیوب میں داخل ہونے پر، اس کا درجہ حرارت ٹی ایچ ہوتا ہے۔ بعد میں سائیکل میں، ٹیوب کے اندر دباؤ زیادہ ہونے پر اسی گیس کو دوبارہ ٹیوب سے باہر دھکیل دیا جاتا ہے۔ اس کے نتیجے میں اس کا درجہ حرارت ٹی ایچ سے زیادہ ہوگا۔ ہیٹ ایکسچینجر ایکس 3 میں، یہ حرارت خارج کرتا ہے اور ماحول کے درجہ حرارت ٹی ایچ تک ٹھنڈا ہو جاتا ہے۔ شکل 3 ایک کویکسیل پلس ٹیوب کو دکھاتی ہے، جو ایک زیادہ مفید ترتیب ہے جس میں ری جنریٹر مرکزی پلس ٹیوب کو گھیرے ہوئے ہے۔ یہ کمپیکٹ ہے اور کولڈ ہیڈ کو ایک سرے پر رکھتا ہے، لہذا جو کچھ بھی ٹھنڈا کرنا ہے اس کے ساتھ ضم کرنا آسان ہے۔ بے گھر کرنے والے کو غیر فعال طور پر چلایا جا سکتا ہے، اور یہ اس کام کو بحال کرتا ہے جو بصورت دیگر سوراخ میں ختم ہو جاتا۔ کارکردگی کولر کی کارکردگی کا تعین بنیادی طور پر ری جنریٹر کے معیار سے ہوتا ہے۔ اسے متضاد ضروریات کو پورا کرنا ہے: اس میں بہاؤ کی مزاحمت کم ہونی چاہیے (اس لیے یہ وسیع چینلز کے ساتھ مختصر ہونی چاہیے)، لیکن حرارت کا تبادلہ بھی اچھا ہونا چاہیے (اس لیے یہ تنگ چینلز کے ساتھ لمبا ہونا چاہیے)۔ مواد میں زیادہ حرارت کی گنجائش ہونی چاہیے۔ 50K سے اوپر کے درجہ حرارت پر عملی طور پر تمام مواد موزوں ہیں۔ کانسی یا سٹینلیس سٹیل اکثر استعمال کیا جاتا ہے۔ 10 اور 50K کے درمیان درجہ حرارت کے لیے لیڈ سب سے زیادہ موزوں ہے۔ 10K سے نیچے کوئی مقناطیسی مواد استعمال کرتا ہے جو خاص طور پر اس ایپلی کیشن کے لیے تیار کیے گئے ہیں۔ کولرز کے نام نہاد کارکردگی کے گتانک (COP ؛ اشارہ کردہ) کو کولنگ پاور اور کمپریسر پاور P کے درمیان تناسب کے طور پر بیان کیا گیا ہے۔ فارمولے میں: بالکل ریورسیبل کولر کے لیے، کارنوٹ کے نظریہ کے ذریعے دیا گیا ہے: تاہم، پلس ٹیوب ریفریجریٹر سوراخ کی موجودگی کی وجہ سے مکمل طور پر ریورسیبل نہیں ہے، جس میں بہاؤ کی مزاحمت ہوتی ہے۔ اس کے بجائے، ایک مثالی پی ٹی آر کا سی او پی دیا جاتا ہے جس کے ذریعے مثالی کولرز سے کم ہوتا ہے۔ دوسرے کولرز کے ساتھ موازنہ زیادہ تر کولرز میں گیس کو وقتا فوقتا دبایا اور بڑھایا جاتا ہے۔ معروف کولرز جیسے سٹرلنگ انجن کولرز اور مشہور گفورڈ میک موہن کولرز میں ایک ڈسلسیسر ہوتا ہے جو اس بات کو یقینی بناتا ہے کہ کولنگ (توسیع کی وجہ سے) مشین کے مختلف علاقے میں ہیٹنگ (کمپریشن کی وجہ سے) کے مقابلے میں ہوتی ہے۔ اس کے چالاک ڈیزائن کی وجہ سے، پی ٹی آر میں ایسا بے گھر کرنے والا نہیں ہے، جس سے پی ٹی آر کی تعمیر آسان، سستی اور زیادہ قابل اعتماد ہو جاتی ہے۔ مزید برآں، کوئی مکینیکل کمپن اور کوئی برقی مقناطیسی مداخلت نہیں ہے۔ کریو کولرز اور متعلقہ تھرمل مشینوں کے بنیادی عمل کو ڈی ویل ہسٹری ڈبلیو ای گفورڈ اور آر سی لانگ ورتھ نے 1960 کی دہائی میں نام نہاد بیسک پلس ٹیوب ریفریجریٹر ایجاد کیا۔ جدید پی ٹی آر کی ایجاد 1984 میں میکولین نے کی تھی جس نے بنیادی پلس ٹیوب میں ایک سوراخ متعارف کرایا تھا۔ اس کا درجہ حرارت 105K تک پہنچ گیا۔ اس کے فورا بعد، نئے تغیرات کی ایجاد کی وجہ سے پی ٹی آر بہتر ہو گئے۔ یہ شکل 4 میں دکھایا گیا ہے، جہاں پی ٹی آر کے لیے سب سے کم درجہ حرارت کو وقت کی تقریب کے طور پر پیش کیا گیا ہے۔ اس وقت سب سے کم درجہ حرارت ہیلیم کے بوائلنگ پوائنٹ (4.2K) سے نیچے ہے۔ ابتدا میں اسے ناممکن سمجھا جاتا تھا۔ کچھ وقت کے لیے ایسا لگتا تھا کہ 4He (2.17K) کے لیمبڈا پوائنٹ سے نیچے ٹھنڈا ہونا ناممکن ہوگا، لیکن آئنڈھوون یونیورسٹی آف ٹیکنالوجی کا کم درجہ حرارت والا گروپ معمول کے 4He کو ریفریجریٹر کے طور پر اس کے نایاب آاسوٹوپ 3He سے تبدیل کر کے 1.73K کے درجہ حرارت تک ٹھنڈا ہونے میں کامیاب رہا۔ بعد میں یہ ریکارڈ گیسن گروپ نے توڑا جو 1.3,000 سے بھی نیچے آنے میں کامیاب رہا۔ گیسن اور آئنڈھوون کے گروپوں کے درمیان تعاون میں پی ٹی آر کو سپر فلوئڈ ورٹیکس کولر کے ساتھ ملا کر 1.2K کا درجہ حرارت حاصل کیا گیا۔ پلس ٹیوب ریفریجریٹرز کی اقسام ٹھنڈک حاصل کرنے کے لیے دباؤ کے تغیرات کا منبع غیر اہم ہے۔ 20K سے کم درجہ حرارت کے لیے پی ٹی آر عام طور پر 1 سے 2 ہرٹز کی تعدد پر اور 10 سے 25 بار تک دباؤ کے تغیرات کے ساتھ کام کرتے ہیں۔ کمپریسر کا بہتا ہوا حجم بہت زیادہ ہوگا (ایک لیٹر اور اس سے زیادہ تک)۔ اس لیے کمپریسر کو کولر سے الگ کر دیا جاتا ہے۔ والو کا ایک نظام (عام طور پر ایک گھومنے والا والو) باری باری کمپریسر کے ہائی پریشر اور کم پریشر والے حصے کو ری جنریٹر کے گرم سرے سے جوڑتا ہے۔ چونکہ اس قسم کے پی ٹی آر کا اعلی درجہ حرارت والا حصہ جی ایم کولرز جیسا ہی ہوتا ہے اس قسم کے پی ٹی آر کو جی ایم قسم کا پی ٹی آر کہا جاتا ہے۔ والو کے ذریعے گیس کا بہاؤ نقصانات کے ساتھ ہوتا ہے جو سٹرلنگ قسم کے پی ٹی آر میں موجود نہیں ہوتے ہیں۔ پی ٹی آر کی درجہ بندی ان کی شکل کے مطابق کی جا سکتی ہے۔ اگر ری جنریٹر اور ٹیوب قطار میں ہوں (جیسا کہ فگر میں ہے۔ 1) ہم ایک لکیری پی ٹی آر کے بارے میں بات کرتے ہیں۔ لکیری پی ٹی آر کا نقصان یہ ہے کہ کولڈ اسپاٹ کولر کے بیچ میں ہوتا ہے۔ بہت سی ایپلی کیشنز کے لیے یہ بہتر ہے کہ کولر کے آخر میں کولنگ پیدا کی جائے۔ پی ٹی آر کو موڑنے سے ہمیں یو کی شکل کا کولر ملتا ہے۔ دونوں گرم سروں کو کمرے کے درجہ حرارت پر ویکیوم چیمبر کے فلانج پر نصب کیا جا سکتا ہے۔ یہ پی ٹی آر کی سب سے عام شکل ہے۔ کچھ ایپلی کیشنز کے لیے سلنڈریکل جیومیٹری رکھنا بہتر ہے۔ اس صورت میں پی ٹی آر کو محوری طریقے سے بنایا جا سکتا ہے تاکہ ری جنریٹر ٹیوب کے ارد گرد رنگ کی شکل کی جگہ بن جائے۔ سنگل اسٹیج پی ٹی آر کے ساتھ سب سے کم درجہ حرارت 10K سے بالکل اوپر ہے۔ تاہم، ایک پی ٹی آر کو دوسرے کو قبل از وقت ٹھنڈا کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ دوسری ٹیوب کا گرم سرے کو کمرے کے درجہ حرارت سے جوڑا جاتا ہے نہ کہ پہلے مرحلے کے سرد سرے سے۔ اس چالاکی سے اس بات سے بچا جاتا ہے کہ دوسری ٹیوب کے گرم سرے پر خارج ہونے والی گرمی پہلے مرحلے پر بوجھ ہے۔ ایپلی کیشنز میں پہلا مرحلہ درجہ حرارت کو لنگر انداز کرنے والے پلیٹ فارم کے طور پر بھی کام کرتا ہے۔ سپر کنڈکٹنگ-میگنیٹ کروسٹیٹس کی شیلڈ کولنگ۔ متسوبرا اور گاؤ تین مراحل والے پی ٹی آر کے ساتھ 4K سے نیچے ٹھنڈا ہونے والے پہلے تھے۔ 2. 1K کے دو مراحل والے پی ٹی آر درجہ حرارت کے ساتھ، لہذا ہیلیم کے λ-پوائنٹ سے بالکل اوپر حاصل کیا گیا ہے۔ تین مراحل والے پی ٹی آر کے ساتھ 3He کو کام کرنے والے سیال کے طور پر استعمال کرتے ہوئے 1.73K تک پہنچا گیا ہے۔ امکانات کمرے کے درجہ حرارت پر پی ٹی آر کی کارکردگی کا گتانک کم ہے، اس لیے اس بات کا امکان نہیں ہے کہ وہ گھریلو ٹھنڈک میں کوئی کردار ادا کریں گے۔ تاہم، تقریبا 80K سے نیچے کارکردگی کا گتانک دوسرے کولرز کے ساتھ موازنہ ہے (مساوات () اور () کا موازنہ کریں) اور کم درجہ حرارت والے علاقے میں فوائد زیادہ ہوتے ہیں۔ پی ٹی آر 70K اور 4K کے علاقے میں درجہ حرارت کے لیے تجارتی طور پر دستیاب ہیں۔ ان کا اطلاق اورکت کا پتہ لگانے کے نظام میں کیا جاتا ہے، تاکہ (ہائی-ٹی سی) سپر کنڈکٹیویٹی جیسے ایس کیو یو آئی ڈی، اور ٹیلی مواصلات کے فلٹرز پر مبنی آلات میں تھرمل شور کو کم کیا جا سکے۔ پی ٹی آر سپر کنڈکٹنگ میگنےٹ کا استعمال کرتے ہوئے ایم آر آئی سسٹم اور توانائی سے متعلق سسٹم کو ٹھنڈا کرنے کے لیے بھی موزوں ہیں۔ نام نہاد خشک میگنےٹس میں، کولرز کا استعمال کیا جاتا ہے تاکہ کسی بھی کریولیکوئڈ کی ضرورت نہ پڑے یا بخارات سے بھرے ہیلیم کے دوبارہ ارتکاز کے لیے۔ اس کے علاوہ 2 ایم کے تک درجہ حرارت والے علاقے کے لیے 3 ایچ ای-4 ایچ ای ڈائلیوشن ریفریجریٹرز کے ساتھ کریو کولرز کا امتزاج پرکشش ہے کیونکہ اس طرح کمرے کے درجہ حرارت سے لے کر 2 ایم کے تک پورے درجہ حرارت تک رسائی آسان ہے۔ کم درجہ حرارت والی ٹیکنالوجی کی کریو کولر ریجینریٹو کولنگ ٹائم لائن بھی دیکھیں حوالہ جات بیرونی لنکس پلس ٹیوب ریفریجریٹرز کی ایک مختصر تاریخ (ناسا) ایس ایچ آئی کریوجینکس گروپ ہوم کریومیک ہوم پلس ٹیوب اینیمیشن (تھیلز کریوجینکس) جیمز ویب اسپیس ٹیلی اسکوپ کریو کولر (جے ڈبلیو ایس ٹی/ناسا) کولنگ ٹیکنالوجی کریوجینکس تھرموڈینامک سائیکل