This Thesis is devoted to the investigation of superfluid helium flows due to torsional oscillators. In its first part, flow due to a torsionally oscillating disc suspended on a tungsten filament is studied (building upon the work of A. C. Hollis Hallett from 1952). Measurements of the motion of the torsionally oscillating disc were performed in superfluid helium at temperatures between 1.265 K and 2.157 K at saturated vapour pressure. Time traces of the disc angular deflection were obtained, and critical parameters related to the turbulent flow stability were determined. In laminar flow, scaling of drag forces with the dimensionless Donnelly number was verified. Based on these results, and comparison with the original work, a scenario of the decay of turbulent flow was suggested. The second part of this work is focused on the development and construction of a similar experiment for mK temperatures. A new type of oscillator was designed, a so-called "pillbox", and a series of testing measurements was performed both at room and mK temperatures.

Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssighelium erfordern einen hohen technischen Aufwand zu dessen Lagerung und Transfer. Aufgrund der extrem niedrigen Normalsiedetemperatur von 4,2 K ist die Verflüssigung des unter Normbedingungen gasförmigen Heliums sehr energieintensiv. Darüber hinaus besitzt Helium eine sehr niedrige Verdampfungsenthalpie, weshalb bereits geringe Wärmeeinträge signifikante Verdampfungsverluste verursachen. Infolge der räumlichen Trennung von Heliumverflüssigungsanlagen und Verbrauchern ist ein Flüssigheliumtransfer in der Regel unvermeidlich. Beim Transfervorgang durch Wärmeeintrag und Druckverluste generiertes Heliumkaltgas muss erneut dem energieaufwändigen Verflüssigungsprozess zugeführt werden, bevor es als Kältemittel verwendet werden kann. Zur Etablierung eines verlustarmen Flüssigheliumtransfers mit einflutigen flexiblen Transferleitungen sind daher die Verdampfungsverluste im Rahmen der thermohydraulischen Optimierung zu reduzieren. Die Optimierung erfolgt dabei durch die Kopplung von systematischen Messungen mit thermohydraulischen Berechnungen. Untersuchungen mit instrumentierten Versuchstransferleitungen erfolgen an einem an der Heliumverflüssigungsanlage der Technischen Universität Dresden neu eingerichteten Versuchsstand. Dabei stellt sich heraus, dass der Gesamtdruckverlust vorwiegend durch das im flexiblen Abschnitt eingesetzte Wellrohr verursacht wird. Mittels eines gesonderten Messaufbaus werden verschiedene Wellrohrtypen hinsichtlich der resultierenden Reibungsdruckverluste untersucht und eine verlustarme Wellrohrgeometrie identifiziert. Neben den Druckverlusten wird auch der Wärmeeintrag durch Modifikationen des Isolationsaufbaus reduziert. Im Zuge der thermohydraulischen Optimierung vermindern sich die Verdampfungsverluste, wodurch die pro Zeiteinheit in der Transportkanne deponierte Flüssigheliummenge zunimmt. Zusätzliche Messungen während des Stillstands der Transferleitung liefern Rückschlüsse auf das Verhalten der Transferleitung, wenn kein Flüssighelium transferiert wird. Im Stillstand neigen die betrachteten Transferleitungsgeometrien zu thermisch angetriebenen Druckschwingungen, sogenannten thermoakustischen Oszillationen. Diese beeinflussen die Betriebssicherheit und die Lagergüte des stationären Speichers negativ, weshalb geeignete Methoden zur Dämpfung der thermoakustischen Oszillationen vorgeschlagen werden.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Stand der Wissenschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Gegenstand und Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Helium als Kälteträger 6 2.1 Grundlegende Stoffeigenschaften von Helium . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Vorkommen, Gewinnung und Verwendung von Helium . . . . . . . . . . . 7 2.3 Bereitstellung von Flüssighelium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 Aufbau einer flexiblen Transferleitung für Flüssighelium . . . . . . . . . . . 12 3 Berechnungsgrundlagen 14 3.1 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.1 Gesamtdruckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.2 Reibungsdruckverlust im Glattrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Reibungsdruckverlust im Rohr mit parallelen Wellen . . . . . . . . 15 3.1.4 Zweiphasenmultiplikator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.5 Druckverlust durch Höhenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.6 Beschleunigungsdruckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.7 Druckverlust durch Einzelwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 Gesamtwärmeeintrag der Transferleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 Lokaler Wärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.1 Strahlungswärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.2 Wärmetransport durch die MLI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3.3 Wärmetransport durch die Rohrwand . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3.4 Wärmetransport entlang der Konstruktionselemente . . . . . . . . 25 3.3.5 Konvektiver Wärmeübergang bei einphasiger Strömung . . . . . . . 25 3.3.6 Wärmeübergang beim Sieden einer erzwungenen Strömung . . . . 26 3.4 Thermoakustische Oszillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4.1 Definition und Entstehung einer thermoakustischen Oszillation . . . 28 3.4.2 Abschätzung von Amplitude und Frequenz . . . . . . . . . . . . . 31 4 Messaufbau und Versuchsdurchführung 34 4.1 Charakterisierung der Transferleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.3 Untersuchte Transferleitungskonfigurationen . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Druckverlust in parallel gewellten Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.3 Untersuchte Wellrohrgeometrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3 Messmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.2 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.3 Volumenstrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.4 Wägeeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.5 Supraleitende Füllstandssonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.6 Datenaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Thermohydraulisches Berechnungsmodell 44 5.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.1 Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3.3 Transferrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6 Ergebnisse der messtechnischen Untersuchung 59 6.1 Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.3 Austrittsdampfgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.4 Transferrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.5 Einkühl- und Aufwärmverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.6 Schwingungsneigung der Transferleitung im Stillstand . . . . . . . . . .72 6.6.1 Auftreten thermoakustischer Oszillationen . . . . . . . . . . . . . . 72 6.6.2 Ermittlung des Temperaturprofils . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.6.3 Berechnung von Druckamplitude und Frequenz . . . . . . . . . . . 76 6.6.4 Resultierender Wärmeeintrag in den Heliumspeicher . . . . . . . . 79 6.6.5 Dämpfung thermoakustischer Oszillationen . . . . . . . . . . . . . 79 6.7 Reibungsdruckverlust in parallel gewellten Rohren . . . . . . . . . . . . 81 7 Design- und Anwendungsempfehlungen 87 8 Zusammenfassung 91 Literatur 94 Anhang 100 A Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 1 . . 100 B Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 2 . . 101 C Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 3 . . 103 D Messwerte des Kannendrucks für alle untersuchten Transferleitungen . . . 105 E Reibungsbeiwerte der Wellrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 F Berechnung des Wärmeeintrags durch thermoakustische Oszillationen . . . 107

Deux expériences d'Optique Atomique Quantique sont étudiées dans ce manuscrit : l'expérience Hong-Ou-Mandel atomique ainsi qu'une expérience préliminaire au test des inégalités de Bell sur la variable d'impulsion de deux atomes. Ces deux expériences permettent de révéler des comportements très particuliers de la matière. La première produit une interférence à deux particules et la seconde suggère l'intrication de deux atomes en impulsion. Ces deux aspects de la mécanique quantique sont non-intuitifs et surprenants. Pouvoir les réaliser avec quelques atomes dans des environnements contrôlés est nécessaire à la consolidation de nos connaissances des lois de la nature et tout particulièrement quand mécanique quantique et gravitation sont à l'oeuvre simultanément. / We report two Quantum Atom Optics experiments : the atomic Hong-Ou-Mandel experiment and preliminary results toward Bell's inequality test on momentum of two atoms. Both experiments reveal interesting behaviors of matter. The first one shows a 2-particle interference and the second one suggests entanglement momenta between two atoms. These aspects of quantum mechanics are really surprising and unintuitive. Realizing these experiments with a few atoms in a controlled environment are necessary to strengthen our understanding of the world, particularly when quantum mechanics and gravitation act simultaneously.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Ein-Photonen-Ionisation von einfachen Atomen und hierbei insbesondere mit der Interpretation von Photoionisationsquerschnitten im Lichte elektronischer Korrelationen. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Im ersten Teil untersuchen wir die Einfachphotoionisation des Heliumatoms unterhalb der Doppelionisationsschwelle. Die korrelierte Dynamik der Elektronen drückt sich in diesem Energiebereich in der Existenz doppeltangeregter Resonanzzustände aus. Im Mittelpunkt dieses ersten Teiles steht die Analyse partieller Einfachphotoionisationsquerschnitte. Diese lassen sich anhand ihres gleichen Aussehens, wir sprechen von gleichartigen Resonanzmustern, quer durch die N-Mannigfaltigkeiten (d.h. über einen weiten Energiebereich) in sogenannte Ketten gruppieren. Die Deutung dieser Ähnlichkeitsmuster basiert auf der Klassifikation der doppeltangeregten Zustände mittels Quantenzahlen, die von approximativen Symmetrien im Heliumatom herrühren. Im zweiten Teil der Arbeit befassen wir uns mit der Mehrfachionisation von einfachen Atomen. Wir diskutieren zunächst einfache analytische Formfunktionen zur Beschreibung von Mehrfachionisationsquerschnitten. Den breitesten Raum des zweiten Teiles nimmt die Entwicklung eines Modells der Doppelphotoionisation ein, das auf der expliziten Separation der dominanten Ionisationsmechanismen beruht. Die zwei wesentlichen Mechanismen der Doppelphotoionisation (in nichtrelativistischer Dipolnäherung) sind die Knock-Out (KO)- und die Shake-Off (SO)-Ionisation. Im Rahmen unseres Modells beschreiben wir den KO-Mechanismus mittels einer konzeptionell wenig aufwendigen (quasi-)klassischen Phasenraummethode. Für den SO-Mechanismus stellen wir einen einfachen auf einer sudden approximation basierenden Zugang vor. Wir wenden unser Modell auf die Doppelionisation der Elemente der isoelektronischen Reihe von Helium an und diskutieren dabei die Bedeutung der Mechanismen in Abhängigkeit der Photonenenergie. Der KO-Beitrag zu den Querschnitten lässt sich im Rahmen des sogenannten Halbstoß-Modells der Doppelphotoionisation interpretieren, das eine Verbindung zur Elektronenstoßionisation herstellt.

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Thesis (MScEng (Mechanical and Mechatronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The purpose of this investigation is to determine the performance of an axial ow compressor operating in a closed loop helium cycle under high through- ow conditions. The GTHTR300 four-stage helium test compressor was chosen for this investigation. Limited information on the helium test compressor's blade pro les are available, therefore a mathematical model was developed to calculate the blade geometries based on the theory of Lieblein and Aungier. A locally available three-stage compressor was used to con rm whether the mathematical model calculated the blade pro le geometries correctly. The Stellenbosch University Compressor Code (SUCC), an axisymmetric inviscid through- ow code, was used to compare the performance of the calculated three-stage compressor blade geometries with available experimental data. Excellent correlation was obtained, thus it was concluded that the mathematical model as well as the SUCC could be used to predict the performance of an axial ow compressor. The blade geometries of the helium test compressor were calculated and the pressure ratio and e ciency predictions of the SUCC correlated well with the experimental data. The helium test compressor was simulated to verify the calculated blade geometries further using the Computational Fluid Dynamics (CFD) package NUMECA FINE /Turbo. The FINE /Turbo pressure ratio and e ciency predictions compared adequately with the SUCC and available experimental data, especially in the design region. At high mass ow rates the stator blade row experiences negative incidence stall which results in a large recirculation zone in the stator blade wake. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van hierdie ondersoek is om vas te stel wat die werkverrigting is van 'n aksiale kompressor in 'n geslote lus helium siklus onderhewig aan hoë deurvloei kondisies. Die GTHTR300 vier-stadium helium toets kompressor is gekies vir die ondersoek. Daar is egter beperkte inligting oor die helium kompressor se lem geometrie, dus is 'n wiskundige model ontwikkel om dit te bereken gebaseer op die werk van Lieblein en Aungier. Om te bevestig dat die lem geometrie akkuraat was, was die lem geometrie van die 'n plaaslike beskikbare drie-stadium kompressor bereken. Die Stellenbosch University Compressor Code (SUCC), 'n aksisimmetriese nie-viskeuse deurvloei kode, is gebruik om die prestasie van die berekende lem geometrie met beskikbare eksperimentele data te vergelyk. Uitstekende korrelasie is verkry vir die drukverhouding en benuttingsgraad resultate, dus is die gevolgtrekking gemaak dat die wiskundige model sowel as die SUCC gebruik kon word om die lem geometrie en werkverrigting van aksiale kompressors te bereken en voorspel. Die helium toets kompressor is gesimuleer met behulp van die numeriese vloei-dinamika pakket NUMECA FINE /Turbo om die berkende lem geometrie verder te veri eer. Die FINE /Turbo drukverhouding en benuttingsgraad resultate het goed gekorreleer met beide die SUCC resultate en eksperimentele data, veral in die ontwerpsgebied. Teen hoë massa vloei tempo's vind daar groot wegbreking teen negatiewe invalshoek plaas in die stator lemry en dit veroorsaak 'n hersirkulasie sone in die naloop van die stator lem.

This thesis presents experimental studies of various non-thermal atmospheric pressure gas discharges generated using short pulsed excitation as an alternative to widely used sinusoidal excitation. Several pulse generators are detailed that provide high voltage pulses ranging from hundreds of microseconds to less than ten nanoseconds in duration. A key enabler to the generation of a stable discharge is a suitably high repetition rate; this prerequisite precludes many conventional pulsed power technologies. Fortunately, recent advances in semiconductor technology have made it possible to construct solid state switches capable of producing high voltage pulses with repetition rates of many kilohertz. Pulsed excitation introduces many opportunities to tailor the applied voltage and consequently enhance the discharge which are not possible with sinusoidal excitation sources. Through detailed electrical and optical analysis it is shown that pulsed excitation is not only more energy efficient than a comparable sinusoidal source but produces a higher flux of excited species that are essential in many applications. When pulse widths are reduced to a sub-microsecond timescale a novel barrier-free mode of operation is observed. It is shown that diffuse large area plasmas are easily produced at kilohertz repetition rates without the usually indispensable dielectric barriers. Experimental results show that a short pulse width prevents the onset of the undesirable glow-to-arc transition thus introducing an added degree of stability. A further benefit of pulsed excitation is the ability to produce gas discharges with a high instantaneous peak power yet low average power consumption, resulting in a high density plasma that exhibits roomtemperature characteristics. Finally, as an acid test to highlight the many benefits of pulsed excitation several real-world applications are considered. It is shown that in all cases pulsed gas discharges provide real benefits compared to their sinusoidal counterparts.

<p>In order to examine the usefulness of the multi breath helium dilution method (MB) it was compared to the single breath helium dilution method (SB) and body plethysmography (BP). Residual volume (RV), total lung capacity (TLC) and vital capacity (VC) were measured in seventeen subjects with obstructive (11) or restrictive (6) lung disease and four normal subjects.</p><p>With information from professional literature and current periodicals, advantages and disadvantages with all three methods were compared. ANOVA and Student's t-test were performed on the measurement results.</p><p>The results of the statistical tests tell us there are differences among the methods in the group of obstructive patients. They also reveal a notable difference between the MB and SB methods when measuring the same parameter. In addition, it was noted that none of the existing sets of prediction equations fulfill the requirements established on high quality lung function testing.</p><p>Although a thorough evaluation of the reproducibility of the method is still required, it appears to be a viable alternative to body plethysmography. We claim that measuring the above mentioned static lung volumes with only the single breath helium dilution method cannot be considered a satisfactory practice.</p>

A new approach is developed for evaluating the mixing properties of binary solutions at high pressure. This involves solving Poisson's equation throughout three-dimensional cubic lattices, consistent with Thomas-Fermi-Dirac (TFD) theory. Zero temperature calculations are carried out for a variety of compositions and crystal structures in 3 pressure groups relevant to Jovian planetary interiors. Pseudopotentials based on the two-component-plasma model (with a uniform electron background) are fitted to the solid-state results, and are then used in liquid-state calculations using hard-sphere perturbation theory. TFD results for H-He solutions find critical temperatures (above which all compositions are soluble) to be ∿ 0, 500, and 1500°K at pressures of 10, 100, and 1000 Mbar, respectively. These temperatures are much lower than those obtained using free electron perturbation theory, where T(crit) ∿ 10,000°K at 10 Mbar. Thus, unlike the perturbation theory results, the TFD results predict that helium should be soluble in metallic hydrogen in the deep interiors of both Jupiter and Saturn, and our calculations give an indication of the degree of model-dependence in computing high pressure mixing properties. In addition, TFD calculations for H-C and H-O solutions find phase separation temperatures to be≲ 10⁴ °K for pressures ≲ 10³ Mbar. These temperatures are considerably lower than those found assuming a uniform electron distribution (where T(crit) ≳ 10⁵ °K), and suggest that H-C and H-O solutions should also be miscible in the metallic zones of Jupiter and Saturn.