In verschiedenen Gebieten der tieftemperaturphysikalischen Grundlagenforschung und der Messtechnik besteht ein Interesse an Kühleinrichtungen, mit denen Temperaturen unterhalb von 4 K bis in den mK-Bereich erzielbar sind. Eine Anwendung einer Kühleinrichtung z. B. in einem Strahlungsdetektor 100'ist schematisch in Figur 6 illustriert. Der Strahlungsdetektor 100'umfasst die Kühleinrichtung 110'und den Strahlungsemp- fänger 120'. Zur Erzeugung von mK-Temperaturen umfasst die Kühleinrichtung 110'einen Stickstoff-Behälter 111'zur Auf- nahme von flüssigem Stickstoff, einen Helium-Behälter 112'zur Aufnahme von flüssigem Helium, einen 4He-Verdampfungskühler 113'und eine 3He-4He-Ent-mischungskühler-Einheit 130'. Die Kühleinrichtung 110'wird auch als 3He-4He-Entmischungskühler oder"Dilution Refrigerator"bezeichnet. Der Strahlungsempfän- ger 120'enthält insbesondere als Detektor ein Feld von Bolo- metern 121'sowie Horn-Antennen 122'und Filtereinrichtungen 123'. Die Bolometer sind für radioastronomische Anwendungen zur Detektion von Wellen bspw. im mm-oder Submillimeter- Bereich eingerichtet. Für diese Messung werden die Bolometer mit dem 3He-4He-Entmischungskühler 110'gekühlt. Der 4He- Verdampfungskühler dient in diesem Beispiel als essentielle Vorkühlstufe für die 3He-4He-Entmischungskühler-Einheit.

Der Aufbau eines herkömmlichen 4He-Verdampfungskühlers ist schematisch in Figur 7 illustriert. Der Verdampfungskühler 113'umfasst eine Verdampfungskammer 114', die mit einer 4He- Zufuhreinrichtung 115'und einer 4He-Abpumpleitung 116'aus- gestattet ist. Mit der Zufuhreinrichtung 115'wird von einem Heliumbad 117'über eine Impedanzeinrichtung 118'und eine Zu- fuhrleitung 119' (normal-) flüssiges Helium in das Innere der Verdampfungskammer 114'geleitet. In der Verdampfungskammer 114'befindet sich supraflüssiges 4He, das laufend über die Abfuhreinrichtung 116'abgepumpt wird. Beim kontinuierlichen Betrieb des Verdampfungskühlers unterhalb einer Temperatur von 2.2 K erfolgt laufend eine Phasenumwandlung des zugeführten flüssigen 4He in supraflüssiges 4He. Der Kühleffekt ergibt sich aus der Verdampfung des Heliums in der Verdampfungskam- mer. Verdampfungskühler gemäß Figur 7 werden nicht nur bei Strahlungsdetektoren gemäß Figur 6, sondern auch bei vielen anderen Tieftemperaturanwendungen verwendet, wobei anwendungsabhängig die verschiedensten Größen und Bauformen realisiert werden. Die herkömmlichen 4He-Verdampfungskühler besitzen jedoch einen gravierenden Nachteil, der im Folgenden unter Bezug auf Figur 8 erläutert wird.

Bei herkömmlich betriebenen Verdampfungskühlern (oder 1 K- Pot's) treten bei der 4He-Zufuhr unerwünschte Schwingungen auf, die insbesondere bei messtechnischen Anwendungen wegen der Einführung eines Rauschens in das Detektorsignal problema- tisch sind. Figur 8 zeigt ein Schwingungsspektrum eines im Strahlungsdetektor gemäß Figur 6 betriebenen herkömmlichen Verdampfungskühlers (gestrichelte Kurve). Es zeigen sich Schwingungsmaxima im Bereich von 700 bis 900 Hz mit einem aus- geprägtem Peak bei 880 Hz. Es handelt sich hierbei um Eigenre- sonanzen der hier verwendeten Kammern, die angeregt werden.

Die Ursache der Erregung dieser Schwingungen im Frequenzbe- reich des Schalls war bisher unbekannt. Es wurden zwar Versu- che zur Reduzierung der Schwingungen durchgeführt (siehe G.

Lawes et al. in"Review of Scientific Instruments", Band 69, 1998, Seite 4176). Es wurde versucht, Betriebsparameter des Verdampfungskühlers zur Schwingungsreduzierung insbesondere durch Einstellung des Flüssigkeitspegels in der Verdampfungs- kammer, der Flüssigkeitstemperatur und des Strömungszuflusses zu optimieren. Diese Versuche lieferten jedoch nur eine teil- weise Schwingungsreduzierung. Außerdem sind die von G. Lawes et al. beschriebenen Erfahrungen für praktische Anwendungen nicht geeignet, da bspw. die Einführung eines Pegelmessgerätes oder eines Durchflussreglers in einen Verdampfungskühler tech- nisch sehr aufwendig ist. Außerdem würden diese Maßnahmen zu- sätzliche Wärmesenken einführen, die die Funktion der Kühlein- richtung beschränken.

Ein anderer Ansatz zur Lösung des Schwingungsproblems besteht in der mechanischen Entkopplung des schwingenden Verdampfungs- kühlers vom Detektor (siehe S. Pirro et al. in"Nuclear In- struments and Methods in Physics Research", Band A44,2000, Seite 331). Dies führt aber auch zu einem unannehmbar hohen technischen Aufwand oder zu Beschränkungen beim Betrieb der gekühlten Messeinrichtung. Zur mechanischen Entkopplung kann bspw. ein diskontinuierlicher Betrieb vorgesehen sein, bei dem während der Heliumzufuhr keine Messungen erfolgen. Bei der Gravitationsantenne"Auriga" (INFN-Lignaro National Labora- tories, Italien) dauert die Heliumzufuhr bspw. drei Stunden pro Tag. Derart lange Messunterbrechungen sind insbesondere mit Blick auf die Komplexität und Kosten der jeweiligen Mess- einrichtung unerwünscht.

Die Schwingungen des Verdampfungskühlers stellen auch ein ge- nerelles Problem mit Blick auf den Heliumverbrauch der Kühl- einrichtung dar. Durch die Schwingungen wird in die Kühlein- richtung Wärme eingetragen. Diese zusätzliche Wärme muss durch zusätzlich aufgebrachte Verdampfungswärme im Verdampfungsküh- ler wieder abgeführt werden. Dadurch steigt der Helium- verbrauch.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren zum Betrieb eines Helium-Verdampfungskühlers bereitzustellen, mit dem die genannten Nachteile überwunden und insbesondere die genannten Schwingungen während der Zufuhr von normalflüssigem Helium unterbunden werden. Das Verfahren soll insbesondere mit herkömmlichen Kühleinrichtungen ohne größere technische Umbau- maßnahmen umsetzbar sein und Beschränkungen beim Betrieb der jeweiligen Kühleinrichtung vermeiden. Die Aufgabe der Erfin- dung ist es auch, einen verbesserten Helium-Verdampfungskühler anzugeben, der eine Reduzierung oder Vermeidung der beschrie- benen Schwingungen ermöglicht.

Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren und einem Verdamp- fungskühler mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Grundidee der Erfindung ist es, eine 4He-Zufuhreinrichtung eines Verdampfungskühlers mit einem Wärmeaustauscher auszu- statten, durch den normalflüssiges Helium geleitet und in mit- telbaren thermischen Kontakt mit dem supraflüssigem Helium in einer Kühlkammer eines Verdampfungskühlers gebracht wird. Im Wärmeaustauscher erfolgt der Phasenübergang von normalflüssi- gem zu supraflüssigem Helium, das vom Ausgang des Wärmeaustau- schers in die Kühlkammer geleitet wird. Ein direkter stoffli- cher Kontakt des zugeführten Heliums mit dem supraflüssigem Helium in der Kühlkammer wird erst nach der genannten Phasen- umwandlung ermöglicht. Diese Maßnahme, mit der erstmalig die beim Betrieb eines Verdampfungskühlers auftretenden Schwingun- gen beseitigt werden konnten, beruhen auf den folgenden Über- legungen der Erfinder.

Die Erfinder haben als Ursache der störenden Schwingungen das Auftreten von Turbulenzen bei der Zufuhr von normalflüssigem in supraflüssiges Helium in herkömmlichen Verdampfungskammern erkannt. Beim herkömmlichen Verfahren bilden die zugeführten, normalflüssigen Heliumtropfen eng begrenzte Wärmequellen mit großer Leistungsdichte im supraflüssigen Helium. Dadurch kommt es zu den störenden Turbulenzen. Durch den erfindungsgemäß verwendeten Wärmeaustauscher hingegen wird die Wärme durch die Führung des normalflüssigen Heliums durch enge Leitungen (Kom- partimente, Poren, Kanäle oder dgl.) auf eine große Oberfläche verteilt. Auf der Außenseite des Wärmeaustauschers, die in Kontakt mit dem supraflüssigen Helium steht, treten deshalb keine Turbulenzen auf, da das Helium im supraflüssigem Zustand bleibt und somit eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Beim Durchlauf des Heliums durch den Wärmeaustauscher wird der Phasenübergang abgeschlossen, so dass auch beim Austritt des dann supraflüssigen Heliums keine Turbulenzen im Verdampfungs- kühler entstehen.

Die Leitungen im erfindungsgemäß verwendeten Wärmeaustauscher besitzen zur Realisierung eines turbulenzfreien Phasenüber- gangs freie Innenquerschnitte, die in Abhängigkeit von den Be- triebsparametern des konkreten Anwendungsfalls gewählt werden.

Die Durchflussgeschwindigkeit, Innenquerschnitte und Durch- flusslängen im Wärmeaustauscher werden so gewählt, dass der Phasenübergang im Wärmeaustauscher erfolgt und störende Turbu- lenzen in der Verdampfungskammer ausgeschlossen sind.

Ein Gegenstand der Erfindung ist auch ein Helium-Verdampfungs- kühler mit einer Kammer zur Aufnahme des supraflüssigen Heli- ums, mindestens einer 4He-Zufuhreinrichtung und mindestens ei- ner 4He-Abfuhreinrichtung, bei dem die 4He-Zufuhreinrichtung mit einem Wärmeaustauscher ausgestattet ist, durch den das zu- geführte flüssige Helium in mittelbarem thermischen Kontakt mit dem Inneren der Kammer steht, bis es den Phasenübergang zu supraflüssigem Helium durchlaufen hat.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Wärmeaustauscher durch eine in die Kühlkammer geführte Kapil- lare gebildet, die direkt in das supraflüssige Helium getaucht ist. Diese Ausführungsform besitzt den Vorteil eines besonders effektiven Wärmeaustausches und damit einer schnellen Phasen- umwandlung des zugeführten Heliums. Bei alternativen Ausfüh- rungsformen der Erfindung ist der Wärmeaustauscher als Kapil- lare oder Sinterkörper in oder auf einer Wand der Kühlkammer vorgesehen.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Durch die erfin- dungsgemäße Verwendung des Wärmeaustauschers wird das Problem der Kühlerschwingungen erstmalig konsequent gelöst. Die Erfin- dung ist problemlos in laufenden Anwendungen von Tieftemperatureinrichtungen implementierbar. Abgesehen von der Bereitstellung des Wärmeaustauschers, der allerdings in jede bekannte Bauform von Verdampfungskühlern integrierbar ist, sind keine zusätzlichen technischen Veränderungen erforderlich. Einschränkungen in Bezug auf den Betrieb der Kühleinrichtungen werden vermieden. Der Heliumverbrauch durch den zusätzlichen Schwingungseintrag wird vermieden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Fol- genden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrie- ben. Es zeigen : Figuren 1 bis 5 verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verdampfungskühler, Figur 6 eine schematische Illustration eines Strah- lungsdetektors, der mit einem herkömmlichen 3He-4He-Entmischungskühler ausgestattet ist, der als Zwischenkühlstufe einen her- kömmlichen Verdampfungskühler enthält, Figur 7 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Verdampfungskühlers, und Figur 8 Kurvendarstellungen zur Illustration der erfindungsgemäßen Schwingungsunterdrückung.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezug auf einen 1 K-Pot beschrieben, der bspw. als Verdampfungskühler in einem Strahlungsdetektor gemäß Figur 6 vorgesehen ist. Die Er- findung ist jedoch auf diese Anwendung und Bauform nicht be- schränkt. Vielmehr kann die Erfindung auch bei beliebigen an- deren Anwendungen von Verdampfungskühlern vorgesehen sein.

Beispielsweise ist es möglich, an Stelle von einer Helium- Zufuhreinrichtung mehrere Zufuhreinrichtungen entsprechend mit mehreren Wärmeaustauschern vorzusehen. Die Erfindung kann mit beliebig großen Verdampfungskühlern realisiert werden, die je nach Kühlleistung bspw. ein Volumen von bis zu 10 1 besitzen.

In Figur 1 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung illustriert, bei der der Wärmeaustauscher durch eine Kapillare im Inneren der Kühlkammer eines Verdampfungskühlers gebildet wird. Der Verdampfungskühler 10 umfasst die Kühlkam- mer 11, eine 4He-Zufuhreinrichtung 12 und eine 4He- Abfuhreinrichtung 13. Die 4He-Zufuhreinrichtung 12 ist zur Zu- führung von normalflüssigem Helium aus dem Heliumbad 14 über die Impedanzeinrichtung 15 zur Druckanpassung in die Kühlkam- mer 11 vorgesehen und umfasst insbesondere die Zufuhrleitung 16. Die Impedanzeinrichtung 15, die auch durch ein Nadelventil gebildet werden kann, und die kapillarförmige Zufuhrleitung 16 dienen der Druckminderung im flüssigen Helium vor Zufuhr in den Verdampfungskühler.

Erfindungsgemäß geht die Zufuhrleitung 16 in den kapillarför- migen Wärmeaustauscher 17 über. Der Wärmeaustauscher 17 kann einstückig als Verlängerung der Zufuhrleitung 16 gebildet sein, falls diese einen geeigneten Innendurchmesser besitzt und genügend biegsam ist. Alternativ ist der Wärmeaustauscher 17 am Ende der Zufuhrleitung 16 (bspw. bei 18) angelötet. Der Wärmeaustauscher 17 besitzt einen Innendurchmesser, der so di- mensioniert ist, dass bei einer gegebenen Durchflussrate bei der Abkühlung durch den mittelbaren thermischen Kontakt mit dem supraflüssigem Helium im Wärmeaustauscher keine Turbulen- zen entstehen. Bei größeren erforderlichen Durchflussraten können größere Innendurchmesser verwendet werden, jedoch muss dann durch geeignete Maßnahmen auch die Kontaktfläche vergrö- ßert werden. Eventuell ist die Verlegung mehrerer paralleler Kapillaren notwendig. Typische Durchflussraten betragen 50 ml/h bis einige l/h. Konkrete Werte können auf der Grundla- ge der an sich bekannten Gesetzmäßigkeiten der Wärmeleitung ermittelt werden. In der Praxis wird der Innendurchmesser vor- zugsweise so gewählt, dass Turbulenzen mit Sicherheit vermie- den werden. Er beträgt daher z. B. 50 um bis 500 um. Für die Länge des kapillarförmigen Wärmeaustauschers gelten die Über- legungen entsprechend. Die Länge ist so gewählt, dass bei ei- nem gegebenen Innendurchmesser und einer gegebenen Durchfluss- rate der Phasenübergang vom normalflüssigen in den supraflüs- sigen Zustand bis zum Ende 19 des Wärmeaustauschers vollzogen ist. Die Länge beträgt bei einem Verdampfungskühler mit einem Volumen von 100 ml bspw. 70 cm. Dementsprechend bildet der Wärmeaustauscher 17 in der Kühlkammer 11 eine oder mehrere Schleifen, die sich im Volumen der Kühlkammer 11 und/oder auf deren Boden erstrecken.

Die Kühlkammer 11 besteht vorzugsweise aus Kupfer, um eine gu- te Wärmeleitfähigkeit mit dem zu kühlenden System zu gewähr- leisten. Gemäß einer vorteilhaften Gestaltung können Teile des Verdampfungskühlers aus Edelstahl bestehen. Insbesondere soll- ten die Teile, die Verbindungen zu anderen Komponenten ver- schiedener Temperatur darstellen (z. B. die Abfuhreinrichtung 13), vorzugsweise aus Edelstahl oder einer anderen, schlecht wärmeleitenden Legierung bestehen. Der kapillarförmige Wärme- austauscher 17 besteht vorzugsweise aus einer Kupfer-Nickel- Legierung. Er besitzt einen Außendurchmesser von z. B. 0.3 mm.

Der Verdampfungskühler 10 kann zum kontinuierlichen Betrieb (laufendes Abpumpen von Helium und Zufuhr von normalflüssigem Helium) oder zum diskontinuierlichen Betrieb (Zufuhr und ggf.

Abfuhr mit Unterbrechungen) eingerichtet sein.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung mit kapillarförmigen Wärmeaustauschern sind in den Figuren 2 und 3 illustriert. Die Verdampfungskühler 10 besitzen jeweils die gleiche Bauform wie in Figur 1. Der kapillarförmige Wärmeaustauscher 17 ist je- weils in die seitliche Wand der Kühlungskammer 11 integriert (Figur 2) oder auf der Außenseite der Kühlungskammer 11 in gu- tem thermischen Kontakt (z. B. durch Anlöten) befestigt (Figur 3).

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher besitzt zur Unterdrü- ckung der Turbulenzen bei Ausbildung des thermischen Kontaktes des normalflüssigen Heliums mit dem supraflüssigen Helium ein möglichst geringes Innenvolumen und eine möglichst große Ober- fläche. Diese Bedingungen können auch durch einen Wärmeaustau- scher 17 bereitgestellt werden, der einen porenhaltigen Sin- terkörper enthält. Diese Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 4 und 5 illustriert. Der porenhaltige Sinterkörper besteht bspw. aus Silber oder Kupfer. Die im Sinterkörper ge- bildeten Poren werden vom normalflüssigen Helium durchlaufen.

Dabei tritt das Helium in thermischen Kontakt mit dem umgeben- den supraflüssigem Helium. Die Phasenumwandlung erfolgt im Wärmeaustauscher 17. Am jeweiligen Ende 19 des Wärmeaustau- schers tritt supraflüssiges Helium in das Innere der Kühlungs- kammer 11. Wärmeaustauscher 17 mit einem Sinterkörper können bspw. plattenförmig im Inneren der Kühlkammer 11 (Figur 4) oder zylinderförmig auf deren Außenseite (Figur 5) vorgesehen sein.

Allgemein kann ein erfindungsgemäßer Verdampfungskühler mit mehreren Wärmeaustauschern und/oder einen Wärmeaustauscher mit mehreren Leitungen für das normalflüssige Helium ausgestattet sein. Im Wärmeaustauscher können beispielsweise mehrere Kapil- laren entsprechend einer Vielzahl von porenförmigen Leitungs- wegen vorgesehen sein. Dadurch wird die Effektivität des Wär- meaustauschers erhöht.

In Figur 8 sind die hervorragenden Messergebnisse des Schwin- gungsverhaltens erfindungsgemäßer Verdampfungskühler illust- riert. Die durchgezogene Kurve zeigt, dass die bei herkömmli- chen Verdampfungskühlern (gestrichelt gezeichnet) auftretenden Schwingungen praktisch völlig unterdrückt werden. Der noch auftretende Peak bei 770 Hz wird auf Fremdschwingungen aus dem Messsystem zurückgeführt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirkli- chung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.