Hvordan fungerer regenerative og Claude-kretsløpsbaserte kryokjølere, og hva skiller dem?

Claude-kretsløpsbaserte kryokjølere benytter seg av Joule-Thomson (JT)-ventiler for å oppnå kjøling gjennom gassekspansjon. Når gassen ekspanderer gjennom JT-ventilene, synker temperaturen, noe som resulterer i kondensering eller nedkjøling av gassen til væskeform. Denne kalde væsken absorberer varme fra lasten, før den returnerer til varmeveksleren for en ny forkjølingsfase. Systemet opererer dermed i en kontinuerlig syklus, hvor varmeveksling og ekspansjon er sentrale mekanismer.

Heliumvæskefremstillingssystemer inkluderer også gjenopprettings- og rensesystemer, som fanger opp fordampet helium og gjenvinner det for ny bruk, noe som er avgjørende gitt heliumets sjeldenhet og kostnad. Ytelsen i slike systemer varierer betydelig avhengig av forkjølingsstrategier og antall stadier i ekspansjonen.

I motsetning til Claude-systemene opererer regenerative kryokjølere med oscillerende gasstrømmer og varierende trykk, snarere enn konstant flyt. Det er nettopp denne oscillerende dynamikken som skiller dem fra rekupersjonsbaserte systemer. En sentral komponent i regenerative systemer er regeneratoren, som vekselsvis absorberer og avgir varme under syklusens ulike faser. Når gassen strømmer mot det varme endepunktet, avgis varme til regeneratoren. Når gassen returnerer fra det kalde endepunktet, overføres kulden tilbake til regeneratoren, og systemet bringes tilbake til starttemperatur.

Gifford-McMahon-systemer (GM) skiller seg fra Stirling-kjølere gjennom bruken av konvensjonelle kompressorer og ventilsystemer for å skape trykkvariasjon. Dette muliggjør bruk av fleksible slanger og fjerntplasserte kompressorer, noe som reduserer både støy og installasjonskostnader. En utfordring er behovet for oljesmøring, som igjen krever oljeavskilling for å unngå at oljen fryser. GM-kjølere brukes hyppig i medisinsk bildebehandling, hvor de muliggjør drift uten kontinuerlig påfylling av helium. De kan i en- og to-trinns konfigurasjoner nå temperaturer helt ned til 4,5 K, med kjøleeffekter på opptil 2 watt ved 4,2 K, avhengig av regeneratormateriale og systemutforming.

Pulstube-kryokjølere representerer en nyere og mer pålitelig utvikling, da de eliminerer behovet for en bevegelig displacer. Gassens bevegelse oppnås i stedet gjennom differensialtrykk over en spesialdesignet åpning (orifice) og en reservoartank som glatter ut trykksvingninger. Dette gir lavere vibrasjon, reduserer elektromagnetisk støy og øker levetiden betraktelig. De termodynamiske prosessene i pulstube-systemer søker å være adiabatisk, noe som påvirker dimensjoneringen av selve tuben. Ved optimal drift oppnår man en god separasjon mellom varme og kalde faser uten mekaniske komponenter i den kalde sonen.

Alle regenerative systemer benytter helium som arbeidsmedium, og forskjellene mellom dem ligger i kompresjonsteknologi, faseforskyvning og fysisk konstruksjon. Valg mellom systemene avhenger av applikasjon, krav til levetid, budsjett og ønsket kjøleeffekt.

For leseren er det viktig å forstå at effektiviteten i kryogene systemer sjelden nærmer seg den teoretiske Carnot-grensen. Tap oppstår både i varmevekslere, ventiler, friksjon og termisk lekkasje. Spesielt i regenerative systemer er utformingen og materialvalget i regeneratoren kritisk for systemets samlede ytelse. Samtidig er vedlikehold og driftskostnader ofte avgjørende faktorer, og dette gjør enkle, pålitelige systemer som pulstube-kjølere stadig mer attraktive i mange anvendelser hvor ekstremt lav temperatur er nødvendig over lang tid uten mekaniske inngrep.

Hvordan fungerer puls-tube kjølere, og hvilke faktorer påvirker deres effektivitet?

Størrelsen på puls-tube røret bestemmes av behovet for å isolere de varme og kalde gassseksjonene innenfor røret. Kun en del av gassen strømmer til reservoaret fra røret, mens gassen i midtseksjonen fungerer som en isolator som effektivt erstatter en mekanisk forskyvningsstempel. For å forbedre denne isolasjonen må turbulens i gassstrømmen minimeres, og dette oppnås ved bruk av flow-straightening skjermer i begge ender av røret.

De tidligste puls-tube kjølerne fungerte uten en ellerifice og nådde temperaturer ned til 124 K. Innføringen av en ellerifice i 1984 reduserte kjøletemperaturen til 105 K, og videre utvikling i 1986 førte til temperaturer ned mot 60 K. I løpet av 2000-tallet ble enkelt-trinns puls-tube kjølere i stand til å nå så lave temperaturer som 20 K, mens to-trinns systemer kunne kjøle ned til 2 K. Disse forbedringene har gjort puls-tube kjølere svært attraktive for kryogeniske applikasjoner.

Det finnes ulike konfigurasjoner av puls-tube kjølere, der de vanligste er u-rør, koaksial og inline design. Inline-konfigurasjonen er mest effektiv fordi den opprettholder en direkte gassstrøm uten retningendringer, noe som reduserer turbulens sammenlignet med u-rør og koaksial design. Koaksial-konfigurasjonen er mer kompakt, men lider av lavere effektivitet grunnet varmeutveksling mellom regeneratoren og puls-tube røret. Til tross for dette har moderne koaksial puls-tube kjølere oppnådd opptil 20 % Carnot-effektivitet ved 90 K, med betydelig kjøleeffekt og lavt energiforbruk. Hybrid Stirling-puls-tube kjølere har videre økt effektiviteten til over 24 % Carnot ved 80 K.

Selv med disse fordelene står puls-tube kjølere overfor utfordringer, særlig knyttet til skalering og effektivitet. Små kjølere med effekt under 10 W er vanskelige å utvikle på grunn av begrensninger i minstekapasiteten til puls-tube røret. Mangelen på en mekanisk forskyvningsstempel betyr også at den ideelle effektiviteten til systemet ikke kan nå 100 % av Carnot, selv under optimale forhold. Energi som ellers kunne vært nyttiggjort i en mekanisk forskyvning, tapes i ellerificen, noe som setter en grense for kjølerens prestasjon.

Forståelsen av disse begrensningene er essensiell for videre utvikling av puls-tube kjølere, spesielt når man ønsker å optimalisere deres bruksområder i romfart, medisinsk teknologi og avanserte elektroniske systemer som krever lave temperaturer.

Hvordan oppfører halvledere seg ved kryogene temperaturer og hva skjer med ladningsbærerne?

Ved lave temperaturer endres de elektriske og elektroniske egenskapene til halvledere fundamentalt, hovedsakelig på grunn av redusert ladningsbærertetthet og bæreremobilitet. Disse forandringene er nært knyttet til energibåndstrukturen og samspillet mellom ladningsbærere og krystallgitteret i halvledermaterialet.

Når temperaturen synker, reduseres termisk energi i materialet, noe som direkte påvirker graden av ionisering av dopantatomer. Dersom dopingskonsentrasjonen er lavere enn 1×10¹⁸ atomer per cm³, vil ikke alle dopantene kunne avgi frie ladningsbærere ved temperaturer under ca. 100 K. Dette fører til dannelsen av grunne felletilstander, hvor ladningsbærere "fanges" og dermed reduserer fri bærertetthet. Ved ytterligere temperaturreduksjon, spesielt under 30 K, fryser ladningsbærerne fullstendig ut — en prosess kjent som carrier freezeout. Dette resulterer i et dramatisk fall i halvlederens ledningsevne.

I tillegg til temperaturens rolle, spiller også elektriske felt en betydelig rolle i lavtemperaturoppførsel. Sterke felt kan fremkalle såkalte hot electron effects, som forstyrrer ytelsen til enheter som MOSFET-er og svekker deres langsiktige pålitelighet. Slike felt kan også gi opphav til velocity overshoot, hvor bærerne oppnår hastigheter som overskrider stasjonær hastighet før de kolliderer med gitteret. I korte kanaler kan dette føre til ballistisk ledning, hvor ladningsbærere beveger seg uten å kollidere med gitteret i det hele tatt.

Ved romtemperatur gir fononer, altså kvantiserte vibrasjoner i gitteret, nok energi til å eksitere dopantelektroner fra donornivået til ledningsbåndet. For eksempel trenger en elektron dopet med fosfor bare 0,045 eV for å nå ledningsbåndet. Men ved temperaturer under 30 K er fononenergien for lav til å ionisere dopantene, og nesten alle elektroner blir værende i sine potensialbrønner, noe som fører til at det dopede silisiumet ikke lenger leder elektrisk strøm — det blir isolerende.

For å kvantifisere energifordelingen i et krystallinsk materiale, anvendes Schrödingers ligning. Denne beskriver energien og bevegelsesmengden til partikler som beveger seg i det periodiske potensialet generert av atomene i gitteret. Løsningen på denne ligningen gir såkalte bølgefunksjoner, som inneholder informasjon om fri bærertetthet, mobilitet og andre egenskaper.

I en slik analyse benytter man den såkalte Bloch-funksjonen, som reflekterer elektronets bølgekarakter i et periodisk potensial. Den elektroniske båndstrukturen til silisium viser at det er et indirekte båndgap-materiale, hvor toppunktet av valensbåndet og bunnpunktet av ledningsbåndet ikke er i samme punkt i det første Brillouin-sonen. Det betyr at for å foreta en overgang fra VB til CB, kreves det ikke bare energi, men også et momentumbidrag — vanligvis levert av en fonon.

Det som er viktig å forstå utover det som allerede er beskrevet, er hvordan temperaturavhengige endringer i effektiv masse påvirker bærermobiliteten. Ved lavere temperaturer endres kurvaturen i energibåndene, som i sin tur påvirker den effektive massen til elektronene og hullene. En høyere effektiv masse gir lavere mobilitet, og dermed svekkes konduktiviteten ytterligere. Det er også essensielt å ta hensyn til hvordan kvanteeffekter begynner å dominere ved svært lave temperaturer og små dimensjoner, noe som utfordrer klassiske modeller og krever kvantemekanisk behandling for å forutsi enhetenes oppførsel nøyaktig.

Hvordan kan kryogen teknologi forbedre energieffektiviteten i databehandlingssentre?

Kryogenisk teknologi har fått økt oppmerksomhet som en løsning for å håndtere den enorme energiforbruket som databehandlingssentre genererer, spesielt i forbindelse med skybaserte systemer. Ifølge forskning fungerer DRAM ved 77 K 3,8 ganger raskere, samtidig som den kun bruker 9,2 % av energien som kreves ved romtemperatur. Denne effekten kan utnyttes ytterligere med tilgjengeligheten av 4 K-operasjon, som gjør det mulig å bruke superledende logikk, som for eksempel enkel fluxkvantum. Denne teknologien gir muligheter for å drastisk forbedre energieffektiviteten i skyinfrastrukturer.

Superledende kretser, som bruker passive superledende forbindelser, krever seks ordrer med mindre energi enn CMOS-forbindelser. Dette er spesielt relevant for skybaserte databehandlingssentre som for øyeblikket står for over 200 TWh av strømforbruket årlig, og dermed utgjør mer enn 2 % av elektrisitetsforbruket i USA. Etter hvert som behovet for beregningskraft øker og databehandlingssentre sprer seg globalt, er det ventet at dette tallet vil øke fire ganger innen 2030. Denne veksten reiser spørsmålet om luftkjøling av databehandlingssentre, som i dag bruker mer enn 10 kW, vil være bærekraftig i fremtiden. Derfor er kryogenisk kjøling en potensiell løsning for de økende energikravene, men bruken av kryogen teknologi i skyinfrastrukturer er fortsatt begrenset.

Med den økte kapasiteten til kvantecomputere kan disse enhetene tilby eksponentielle forbedringer i beregningskraft sammenlignet med tradisjonelle datamaskiner. Richard Feynman påpekte allerede på 1980-tallet at klassiske datamaskiner ikke kunne simulere visse kvantemekaniske effekter, og hans spekulasjoner om kvantecomputere har ført til store fremskritt innen feltet. Kvantecomputere opererer med kvantebiter, eller qubits, som er fundamentalt forskjellige fra klassiske biter. Mens en klassisk bit kan være enten 0 eller 1, kan en qubit eksistere i en superposisjon av begge verdiene samtidig, og dermed representere et eksponentielt større antall tilstander enn klassiske biter. Dette fenomenet, kjent som kvantparallelisme, gir kvantecomputere en eksponentiell økning i parallell behandling med en lineær økning i størrelsen på det kvante systemet.

Innenfor mange ulike felt kan kvantecomputere brukes til å løse problemer som er umulige for klassiske maskiner å håndtere. Innen kjemi kan kvantecomputere brukes til å forutsi reaksjonshastigheter, molekylære strukturer og andre optiske egenskaper ved molekyler. Innen biologien kan de bidra til å forutsi proteinfolding, kalkulere ligandbindingsaffinitet og utføre store genomiske sammenstillinger. I finanssektoren kan kvantecomputere optimalisere porteføljeforvaltning og risikovurdering i investeringer.

I fremtiden vil et mer integrert system som kombinerer kvanteprosessoren og den klassiske kontrollenheten i et kryogent miljø være nødvendig for å maksimere hastigheten og effektiviteten til kvantecomputere. Dette er et av de største utfordringene som forskere jobber med i dag, og vil sannsynligvis være et nøkkelfaktor i utviklingen av kommersielle kvantecomputersystemer.

I tillegg til teknologiske fremskritt er det viktig å forstå at implementeringen av kryogene løsninger ikke bare handler om bedre ytelse, men også om den enorme energigjenvinningsmuligheten som finnes ved å bruke lavtemperaturteknologier. Kryogenisk kjøling i databehandlingssentre kan derfor spille en sentral rolle i å redusere det globale strømforbruket, som er i konstant vekst med den digitale transformasjonen og den økende bruken av skyinfrastruktur og kvantecomputing. Utviklingen av kryogene teknologier, sammen med kvanteprosessorer, representerer et skritt mot mer bærekraftige, effektive og kraftfulle databehandlingsløsninger.