氦-某热力学性质和氦-某2f氦-4混合工质脉管制冷性质分析

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1、堑匹太芏鳕土坐位逾奎差=重绪盈整理有关啊e的各类数据，找到一种快速查阅或者计算给定条件下hie热物性参量的方法，即利用计算机技术和数值处理手段编制出3He热物性数据库程序，以及开发出氦．3专用状态方程，以满足众多相关研究人员的需要十分必要。从事低温工程的研究人员总是致力于利用各种方法实现更低的制冷温度和获取更大的制冷量。利用机械式制冷机取代物理方法(如绝热去磁、稀释等)实现1K左右的制冷温度具有十分重要的现实意义。其中脉管制冷机由于不存在低温下的运动部件，具有制造简单、成本低、振动小、寿命长、可靠性高等优点。为了提高脉管制冷机的热

2、力学性能，许多学者着力于优化制冷机结构、改善流程和制冷循环等研究工作。而研究表明，工质对于脉管制冷机性能的影响不容忽视。采用3He作工质的脉管制冷机能突破龟e工质^线的限制达到更低的温度，并在液氦温区获得更大的制冷量和COP。1999年，荷兰爱因霍温技术大学的deWade、许名尧等人以3He作工质，采用三级脉管制冷机获得了1．78K的低温11ll。浙江大学博士生蒋宁在德国吉森大学Thummes教授的实验室采用3He为工质，在一台二级脉管制冷机上取得1．27K的最低制冷温度【10l。这些成果可以预见3He在低温制冷机应用上的巨大潜力

3、。此外，3He工质极其昂贵而且数量稀少，这直接制约了其应用。因此，从理论上证明3He勺e混合工质能够实现3He工质所能达到的效果甚至提高回热式低温制冷机的性能，这将对3He更广泛的应用起到重要的推动作用。这项工作直接需要3He．4I-Ie混合工质热物性的支持。因此，无论是开展以3He为工质的低温制冷机实验研究、理论分析和性能预测，还是研究3He-4He混合工质脉管制冷性质，都离不开3He热物性的研究。1．2氦-3概述1．2．1氦．3的基本物理性质氦．3(Helium．3)，通常简写为3He。同氦4一样，它是氦的两种稳定性同位素之一

4、。在自然界的氦气中，氦．3所占的比例大约为百万分之一。由于是同位素，氦．3和氦^4在物理和化学性质上表现出较多的一致性，都是无色、无味、无毒、不燃烧的惰性气体。但是原子结构的不同，使得它们在物理性质上还是存在很大的差异，尤其在低温下差异更加明显。根据量子粒子的特性，一个氦-4原子由2个质子和2个中子组成，即原子中的粒子数为4，所以氦．4的核自旋为偶数，称为玻色子；而氦．3原子由2个质子和1个中子组成，即包含的粒子数为3，所以2氦．3的核自旋为奇自旋，称为是费米子。在接近绝对零度的低温下，这两种同位素都服从量子力学的原理，但两者遵循

5、的统计规律是不同的，氦．4遵循的是玻色一爱因斯坦(BE)统计，在2．172K下发生玻色一爱因斯坦凝聚转变为超流态；而氦．3遵循的是费米—狄拉克(FD)统计，在2．6inK下才能发生类似超导体的BCS型凝聚而转变为超流态，这个温度比氦-4的九转变温度低了3个数量级。由于具有较低的束缚能，氦．3在低温下的蒸气压比氦．4大许多，例如在1K时，氦．3的饱和蒸气压比氦-4大80倍，在0．5K时两者则相差近10000倍。氦．3另外一个重要特性是有非零的核磁矩，这使得氦-3具有比氦．4更大的自旋熵，从而在低温下具有更大的熵值，例如在1K时，氦．

6、3的比热容比氦．4大40倍，在更低的温度下相差更大。氦．3的一些重要的热力学性质汇总于表1-1。表1-1氦-3的一些基本性质112】原子量3,016磁矩(核磁子)-2．127正常沸点／【目3．1910K时的密度／[蚶】82．3室温(21．1℃)下密度kg／m3O．1650K时压缩率／[mm3棚361临界温度z√【嗣3．31570K时的蒸发潜热／[J／tooll20．56临界压力P。／[MVa]0．11460390K时的表面张力，【111J／In210．16临界密度—矾kg砷41．191OK时的声速／[Ws]183最低熔化压力／[M

7、Pal2．8911．0K时的比热容／[J／(m01．K)]4．222最低熔化压力对应的温度／[Iq0．31521．7K时的蒸气压／[kPal10．9超流相转变温度／[mK]2．63．2K时的热导率／[mW／(m·K)】20三相点无3．2K时的粘度／[mg·s／m]1．9氦．3最初是由阿斯顿于1920年利用质谱议发现的，但大量的实验研究是在1948年氦．3气体能获得广泛应用后才开始进行的。起初气态氦．3并没有引起人们多大的重视，这或许是因为人们曾经认为它只是与氦．4差不多的稀有气体而已。但对氦-3液化所带来的挑战以及揭开液态氦．3的

8、神秘面纱的好奇心，最终使人们改变了原有的看法，从而投入到液态甚至是固态氦．3的研究当中。其中当然还有另外一个重要的原因：液体氦．3被看作是费米量子流体的理想标本，其将氦-3同量子力学紧密联系在一起。1949年，Sydoriak等人【廿l和Abrah