Ich versuche, ein Substrat in einer Vakuumkammer mit flüssigem Stickstoff zu kühlen. Der Substrathalter ist ein Kupferblock, der mit Nylonschrauben (zur thermischen Isolierung) an der Oberseite der Kammer aufgehängt ist. Ein Kupferrohr verläuft vom LN2-Tank durch den Flansch, durch eines der Durchgangslöcher des Substrathalters, biegt sich zurück durch das andere Durchgangsloch des Substrathalters und verlässt die Kammer. Beim Austritt wird das LN2 einfach in die Atmosphäre abgelassen.
Der Substrathalter beginnt bei 288,2 K, LN2 ~77 K. Der Leitungsdruck des LN2-Tanks liegt bei etwa 5 psi und endet bei Standarddruck am Ausgang.
Ich versuche zu berechnen, ob ich mit meinem gerade beschriebenen aktuellen Aufbau das Substrat (mit Aluminium beschichtetes ITO mit einer Indiumfolie zwischen ihm und der Substrathalteroberfläche) tatsächlich auf 77-90 K abkühlen kann.
Meine Probleme im Moment sind die Einrichtung der Diff-Eqs, die den Wärmeaustausch im Substrathalter beschreiben. Die Durchflussrate von N2 in den Rohren hängt davon ab, ob es zu Gas erhitzt wird ... Ich bin mir nicht ganz sicher, wie ich dies in die Differenzialgleichungen integrieren soll.
Ich würde mich sehr freuen, wenn mir jemand erklären könnte, wie ich das angehen soll, oder mich auf eine Beispielrechnung hinweisen könnte.
Und was wäre der beste Weg, um diese Art der Kühlung zu erreichen? Wir haben zuvor mit Erfolg einen Vorratsansatz (mit einem Bottich mit LN2 auf dem Substrathalter) verwendet, aber es nimmt viel Platz ein. Wenn sich herausstellt, dass mein aktuelles Setup nicht ausreicht, kann ich den anfänglichen Leitungsdruck einfach weiter erhöhen (auf >5 psi), um die gewünschte Kühlung zu erreichen?
Danke Al
Dies begann als ein Kommentar, der über alle Vernunft hinauswuchs.
Sie können davon ausgehen, dass das LN2 verdampft, bis die Temperatur Ihres Substrats annähernd 77 K erreicht [1]. Normalerweise wissen Sie - empirisch -, dass ein solches System kalt ist, wenn Sie beginnen, Flüssigkeitstropfen aus dem Auspuff zu bekommen. Dann reduzieren Sie die Durchflussrate und überwachen die Temperatur mit Ihrem In-situ -Thermometer.
Sie haben eine In-situ- Überwachung, richtig? Wenn nicht, müssen Sie dies zumindest teilweise empirisch tun. Was ist Ihre Toleranz für das Aufwärmen des Widgets?
In jedem Fall sind ein Vakuumsystem und Nylon-Abstandshalter ein guter Anfang, um es zu isolieren, das Kupferrohr muss kalt gehalten werden, sonst leitet es viel Wärme, aber Sie werden LN2 darin fließen lassen, oder?
Klingt so, als sollte es funktionieren.
Eine vollständige Berechnung nach den ersten Prinzipien ist eine Menge Arbeit, und es könnte besser sein, ein vorhandenes Simulationsframework zu finden [2]. Die Beta-Site des wissenschaftlichen Rechnens könnte dabei helfen.
[1] Dies legt eine Schätzung des minimalen LN2-Bedarfs für die anfängliche Kühlung in Bezug auf die latente Verdampfungswärme von LN2 nahe: (Wo ist das Substrat und ist LN2). Je nach Verlust benötigen Sie möglicherweise das Doppelte.
[2] Wir taten dies für die strahlbezogene Erwärmung fester Targets bei JLAB, weil das Schmelzen eines Targets eine Woche oder mehr an verlorenem Strahl bedeutete, um es zu ersetzen; aber es gab einen Stabsingenieur, der für das Programm verantwortlich war.
Asi
dmckee --- Ex-Moderator-Kätzchen