Dilution refrigeration of multi-ton cold masses

Abstract

Dilution refrigeration is the only means to provide continuous cooling at temperatures below 250 mK. Future experiments featuring multi-ton cold masses require a new generation of dilution refrigeration systems, capable of providing a heat sink below 10 mK at cooling powers which exceed the performance of present systems considerably. This thesis presents some advances towards dilution refrigeration of multi-ton masses in this temperature range.<br />A new method using numerical simulation to predict the cooling power of a dilution refrigerator of a given design has been developed in the framework of this thesis project. This method does not only allow to take into account the differences between an actual and an ideal continuous heat exchanger, but also to quantify the impact of an additional heat load on an intermediate section of the dilute stream. In addition, transient behavior can be simulated. The numerical model has been experimentally verified with a dilution refrigeration system which has been designed, built and tested at CERN in the framework of this doctoral thesis project. Furthermore, the determination of the residual heat load to the cold mass of a very low temperature (VLT) experiment is addressed. The results of this analysis can be used to predict the required cooling power for large future experiments. Based on the experience gained with the dilution refrigeration system at CERN, design rules for large dilution refrigerators have been derived.<br />They are consequently used in a design and feasibility study of a refrigeration system, which is tailored for the future cryogenic dark matter search EURECA and meets the requirements of low-background experiments and operation in remote underground laboratories.<br />This doctoral thesis project has been funded CERN and by the Austrian Federal Ministry for Education, Science and Culture.<br />

3He/4He Verdünnungskryostaten stellen die einzige technische Möglichkeit zur kontinuierlichen Kühlung bei Temperaturen unter 250 mK dar. Derzeit in Planung befindliche Experimentanlagen erfordern die Kühlung von Massen in der Größenordnung mehrerer Tonnen und benötigen leistungsfähige Kühlsysteme, deren Kühlleistung unter 10 mK die Möglichkeiten heutiger Systeme beträchtlich übersteigt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung solcher Systeme.<br />Eine neuartige, numerische Methode zur Berechnung der Kühlleistung eines Verdünnungskryostaten bekannten Designs wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt. Diese Methode zieht nicht nur die Unterschiede zwischen realen und den in der Theorie üblicherweise behandelten idealen Wärmetauschern in Betracht, sondern ermöglicht auch die Berücksichtigung zusätzlicher Wärmelasten am Wärmetauscher und die Simulation transienten Verhaltens. Dieses numerische Modell wurde mittels experimenteller Daten verifiziert, die aus dem Betrieb eines vom Autor entwickelten Verdünnungskryostaten gewonnen wurden. Weiters wird die Bestimmung der minimalen Wärmelast, die von einem Kühlsystem eines Tieftemperaturexperiments abgeführt werden muß, behandelt. Die Ergebnisse dienen der Berechnung der erforderlichen Kühlleistung zukünftiger Großexperimente.<br />Basierend auf der im Bau und Betrieb des Verdünnungskryostaten gewonnenen Erfahrung wurden Konstruktionsregeln für derartige Kühlsysteme abgeleitet. Diese wurden bei der Auslegung eines Kühlsystems für EURECA, eines europäischen Detektors für dunkle Materie, angewandt, wobei zusätzlich den Forderungen nach geringem radioaktivem Hintergrund und den aus dem Betrieb in unterirdischen Laboratorien resultierenden Einschränkungen Rechnung getragen wurde.<br />Diese Arbeit wurde von CERN und vom Österreichischen Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur finanziert.<br />