Криостат

Типичным криостатом для адиабатического размагничивания является криостат приведенный на рис. 10.3.

Таблетка парамагнитной соли, поддерживаемая тонкостенной стеклянной трубкой, помещена в стеклянную вакуумную камеру, которая погружена в ванну с жидким ⁴Не, откачанную до температуры 1К. Ванна с ⁴Не в свою очередь погружена в дьюар с жидким водородом при температуре 20 К. Диаметр нижней части дьюаров уменьшен так, чтобы с одной стороны, обеспечить достаточный объем для криогенных жидкостей, с другой стороны, уместить криостат в 5-сантиметровый зазор между полюсами электромагнита. Вокруг соли, для определения ее температуры, помещены первичная и вторичная катушки магнитного термометра.

Рис. 10. 3 Схема криостата

1- радиационная ловушка; 2 – жидкий водород; 3 – жидкий Не (1К); 4 – первичная катушка; 5 – вторичная катушка; 6 – парамагнитная соль; 7 – стеклянная трубка

Эксперимент по адиабатическому размагничиванию проходит через несколько различных стадий. Во-первых, таблетка соли охлаждается до начальной температуры Т, равной 1 К или несколько ниже. Это достигается с помощью ванны ⁴Не; тепловой контакт между ванной и солью обеспечивается теплообменным газом, которым при давлении ~ 10 Па заполняется вакуумная камера, окружающая соль. Если используется ступень предварительного охлаждения с ³Не, имеющий температуру Т_i ~ 0,3 К, то желательно установить сверхпроводящий тепловой ключ, позволяющий создавать и разрывать тепловой контакт с таблеткой. Затем соль изотермически намагничивается при температуре Т_i от В = 0 до В = В_i. Этот этап эксперимента, в течение которого теплота намагничивания - (см. рис.10.1) передается от соли к ступени предварительного охлаждения, обычно занимает 5-10 минут при начальной температуре Т_i = 1К и несколько часов, когда температура составляет ниже и Т_i = 0,3 К.

Затем таблетка соли термически изолируется; для этого нужно либо откачать теплообменный газ, либо перевести тепловой ключ в сверхпроводящее состояние. Часто для понижения величины давления теплообменного газа, скажем до 0,01 Па требуется несколько часов. После этого соль размагничивается, в результате чего происходит охлаждение в соответствии с уравнением

, (10.3)

где В_f – внешнее магнитное поле в пределах от Z^' до Х^' (рис.10.1).

Этот этап эксперимента можно провести за несколько минут, если требуется охладить только соль. Если же соль используется для охлаждения образца, находящегося в тепловом контакте с ней, то скорость размагничивания должна быть подобрана таким образом, чтобы не возникало больших перепадов температуры между солью и образцом, т.е. охлаждение должно проводиться почти обратимо. В противном случае могут иметь место значительные потери холода.

После того как величина магнитного поля уменьшится до его конечного значения, соль начинает медленно отогреваться под действием внешнего теплопритока. Количество тепла, которое может поглотить таблетка соли, можно получить из выражения

, (10.4)

где - удельная теплоемкость соответствует С_в при магнитном поле В = 0.

Величина на несколько порядков меньше, чем скрытая теплота испарения равного объема жидкого гелия. Поэтому для того, чтобы иметь достаточное время для проведения экспериментов нужно принять самые тщательные меры по уменьшению внешнего теплопритока. Излучение, например, можно исключить с помощью радиационных экранов в линиях откачки и путем тщательного серебрения стенок вакуумной камеры, где помещается соль, если эта камера выполнена из стекла. Нагрев, вызываемый вибрациями, можно уменьшить, закрепив соль как можно жестче.

При использовании ступени предварительного охлаждения гелием - 3 можно уменьшить внешний тепловой приток вплоть до 10 нВт, однако на практике обычно достигают величины 0,1 мкВт.