aalto1 untyped-item.component.html
Developing diagnostics of a dilution refrigerator
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
53
Series
Abstract
A He-3/He-4 dilution refrigerator is a device that provides continuous cooling power down to 10 mK by circulating He-3 through a boundary between two liquid helium phases. The ability to cool samples below 1 K is crucial for quantum physics research and the development of quantum computers. The purpose of this project was to develop and implement new diagnostic systems for a dilution refrigerator.
The circulation of He-3 through the refrigerator is maintained by evaporating it from a distiller or "still". To reach the highest performance of the system, the liquid level in the still is controlled by altering the total amount of helium in the system. To help attain the optimal liquid level, we implemented a capacitive liquid level meter in the still. The ability to observe the liquid level in real time made it easy to condense the optimal amount of helium to the system and enabled the user of the fridge to monitor the still during the operation of the refrigerator.
During the development of a refrigerator, it is interesting to know helium pressures in different parts of the system. In the cryostat used in this thesis, the pressures were measured by placing the pressure gauge outside the vacuum can and connecting it to the measured volume with a narrow tube. Since the pressure gauge and the measured vessel are in different temperatures, the connecting tube has a large temperature gradient across itself. When the pressure is low and the tube is narrow, this temperature difference creates a pressure difference between the gauge and the measured vessel. This so-called thermomolecular pressure difference causes error in the measurement. To correct this error, we computed correction factors with the Weber-Schmidt equation, and compared them to measured values. The experiments demonstrated that the thermomolecular pressure difference is significant at pressures present in a dilution refrigerator, but more measurements are required to find out if the used model produces accurate corrections for the setup.
He-3/He-4 laimennusjäähdytin on laite, joka viilentää näytteitä 10 mK:iin asti kierrättämällä He-3:a kahden nesteheliumfaasin välisen rajan läpi. Kyky jäähdyttää näytteitä alle 1 K lämpötilaan on oleellista kvanttitutkimuksessa ja kvanttitietokoneiden kehittämisessä. Tämän projektin tarkoituksena oli kehittää ja toteuttaa uusia diagnostiikkajärjestelmiä laimennusjäähdyttimelle.
He-3 saadaan kiertämään jäähdyttimen läpi haihduttamalla sitä tislauskammiosta, jota kutsutaan yleisesti nimellä “still". Parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi, nestepinnan tasoa stillissä säädetään muuttamalla heliumin kokonaismäärää järjestelmässä. Jotta heliumin pinta voidaan säätää helposti optimikorkeudelle, rakensimme stilliin kapasitanssiin perustuvan pinnankorkeusmittarin. Kyky seurata nestepintaa reaaliajassa helpotti täyttämään järjestelmän oikealla määrällä heliumia, ja mahdollisti stillin seuraamisen jäähdyttimen käytön aikana.
Uutta jäähdytintä kehitettäessä on hyödyllistä tietää heliumkaasun paine laitteen eri osissa. Tässä työssä käytetyssä kryostaatissa paineiden mittaus toteutettiin asettamalla painemittari vakuumikannun ulkopuolelle ja liittämällä se mitattuun tilavuuteen kapealla putkella. Koska painemittari ja mitattu tilavuus ovat eri lämpötiloissa, niitä yhdistävässä putkessa on suuri lämpötilagradientti. Matalassa paineessa ja kapealla putkella lämpötilagradientti luo paine-eron mittarin ja mitatun kohteen välille. Tämä niin sanottu termomolekylaarinen paine-ero aiheuttaa virheen mitattuihin painelukemiin. Virheen korjaamiseksi laskimme korjauskertoimia käyttämällä Weberin ja Schmidt:in yhtälöä, ja vertasimme ennustettuja paine-eroja mitattuihin arvoihin. Kokeet osoittivat, että termomolekyylaarinen paine-ero on merkittävä laimennusjäähdyttimessä esiintyvissä paineissa, mutta lisää mittauksia tarvitaan selvittämään, tuottaako käytetty malli tarkkoja korjauksia tälle mittausasetelmalle.