Physikalisches Institut

Kryotechnologie

Heliumverflüssigung

Während flüssiger Stickstoff (77 K) von einem externen Lieferanten eingekauft wird, wird Helium (4,2 K) größtenteils direkt im Institut verflüssigt. Heliumgas, das bei den Experimenten verdampft wird, wird durch ein Leitungssystem rückgewonnen, gespeichert und wieder der Verflüssigung zugeführt.

Der Heliumverflüssiger ist vom Typ Sulzer TCF20, ein Turbinenverflüssiger. Der Verflüssiger wird mit einem 90 kW-Kompressor angetrieben und verflüssigt ca. 17-25 L/h. Das verflüssigte Helium wird kalt in einem superisolierten Tank mit 2000 l Fassungsvermögen gespeichert und von dort in Transportkannen zu je 100 l abgefüllt, die in die Labors mitgenommen werden.

Unsere Gruppe versorgt außerdem andere Gruppen in Physik und Chemie, sowie das MEG-Zentrum und Teile des Max-Planck-Insituts für Biologische Kybernetik mit flüssigem Helium. Pro Jahr liefern wir insgesamt etwa 60.000 Liter flüssiges Helium aus.

Bei diesem verflüssigten Helium handelt es sich um 4He. Dies hat unter Normaldruck eine Temperatur von 4,2 K. Durch Abpumpen des Gases über einem Heliumbad können Temperaturen bis zu 1 K erreicht werden. Das Heliumbad geht dabei in den suprafluiden Zustand über.

Tieftemperaturkryostaten

Sind Temperaturen unter 1K erforderlich, so kann auf das (seltene) Heliumisotop 3He zurückgegriffen werden. Aufgrund seines höheren Dampfdrucks lassen sich mit 3He durch Verdampfungskühlen Temperaturen bis 300mK erzielen. Zwei kompakte „single shot“ 3He-Kryostaten stehen in unserer Gruppe zur Verfügung, wobei einer für den Einsatz in hohen Magnetfeldern (12 Tesla-Magnet) ausgelegt ist.

Noch tiefere Temperaturen können mit 3He/4He-Mischungskryostaten erzielt werden. Diese verwenden ein Gemisch aus den beiden Heliumisotopen und nutzen das Prinzip des Lösungskühlens von 3He in superfluidem 4He, um Temperaturen bis 10mK zu erreichen. Unsere Arbeitsgruppe verfügt z.Zt. über zwei dieser kontinuierlich arbeitenden Kryostaten.