1 0. 3. Метод Померанчука.

Рассмотрим еще один метод получения сверхнизких температур. На возможность понижения температуры при адиабатическом сжатии гелия впервые указал Померанчук в 1950 г. Исследуя поведение энтропии ферми-жидкости и энтропийный спиновой системы твердого ³Не, он предсказал существование на кривой плавления ³Не минимума, который впоследствии был экспериментально обнаружен, см. рис. 10.7.

Он доказал, что если производить адиабатическое сжатие твердожидкостной смеси ³Не вдоль кривой плавления, то в температурной области ниже температуры минимума на кривой плавления должно происходить охлаждение.

Предположим, что с помощью соответствующего предварительного охлаждения и сжатия камера с ³Не (рис. 10.8) доведена до состояния, обозначенного точкой А с температурой 25 м К и давлением 33 атм. Точка А находится на кривой плавления, однако до приложения давления в камере находится только жидкий ³Не. Охлаждение методом Померанчука происходит при адиабатическом увеличении давления; при этом точка, описывающая состояние ³Не в камере, будет двигаться в горизонтальном направлении на энтропийной диаграмме (S_L+S_S= const) и вдоль кривой плавления на фазовой диаграмме (рис. 10.9). Во время этого процесса происходит непрерывный переход ³Не из жидкой фазы в твердую. В конце концов, в камере будет находиться только твердая фаза.

Энтропия

По характеру изменения энтропии, можно судить в каком направлении происходит теплообмен. Так, при нагревании тела Q>0 энтропия растет ds = . Если же тело охлаждается, то Q < 0 энтропия также растет, но ds <0. Это говорит о том, что энтропия замкнутой системы не убывает и ее изменения больше нуля, т.е. S  0.

Доля твердой фазы в камере Z = n_s/n, где n = n_е + n_s, может быть вычислена в любой точке фазовой диаграммы (рис. 10.9., где n =1) между точками Х и Y. В течении всего процесса должно выполняться соотношение

n S_е (T_i) = n_sS_s (T) + (n – n_s)S_e (T).

Откуда запишем

nS_e (T_i) – S_e (T) = n_s S_s (T) – S_e (T)

и окончательно определим

Z (Т) = ,

здесь Т_i – температура, при которой было начато сжатие, приводящее к охлаждению.

При этом предполагается, что жидкая и твердая фазы ³Не находятся в тепловом равновесии в течении всего времени и что теплоемкость камеры пренебрежимо мала.

Криостат

К риостат содержит 3 объема, отдельные друг от друга упругими сильфонами из бронзы, сам внутренний объем заполнен жидким ³Не, а два других -⁴Не, как показано на рис. 10.10.

Сначала этот прибор охлаждается до ~ 0,3 K и давление ⁴Не в обеих камерах повышается до ~ 25 атм, т.е. оно становится лишь чуть меньше давления затвердевания ⁴Не. Затем внешний объем запирается, а давление ³Не доводится до ~ 29 атм. То же несколько ниже перехода в твердую фазу для ³Не . При этом давление возрастает - сильфоны растягиваются, благодаря чему ⁴Не во внешнем объеме частично становится твердым. После этого прибор с помощью криостата растворения охлаждается до ~25 мК и из промежуточного объема ⁴Не выпускается наружу.

Усилие, растягивающее сильфоны, уменьшается и они под действием сил собственной упругости начинают сокращаться и сжимают ⁴Не, в результате чего ⁴Не затвердевает. Так как в наружной камере находится смесь жидкого и твердого ⁴Не, то давление в ней все время остается неизменным.

В задачу сильфонов, таким образом, входит необходимость создания только дополнительного давления в камере ( 1 атм) за счет их деформации.

Это позволяет использовать сильфоны с тонкими стенками. Если сделать, например, камеры с толстыми стенками, способными при деформации развивать

давление ~ 30атм, то в них из-за тех же самых деформаций выделилось бы слишком много тепла и никакого охлаждения не произошло бы.

В изображенном на рис. 10.10 криостате удалось охлаждать гелий 3 до нескольких млК. Холодопроизводительность же метода на эффекте Померанчука при Т< 5млК в десять раз выше, чем у метода растворения.

В жидком ⁴Не сверхтекучесть исчезает тогда, когда возникает слишком много тепловых колебаний. В гелии - 3 колебания эти всегда есть и даже при температурах близких к нулю их число довольно велико для того, чтобы сверхтекучая компонента отсутствовала. В отличие от гелия – 4, при откачке которого получить температуры ниже 1К, как помним, трудно, из-за того, что образуется сверхтекучая пленка, а в гелии - 3 такой пленки при этих же температурах нет и поэтому можно за счет откачки добиться температур ниже 0,3 К.

Если же смешать жидкие изотопы ³Не и ⁴Не, как рассматривали выше, то можно получить температуры намного ниже. При этом оказалось что, при температуре выше 0,8 К оба изотопа образуют однородный раствор. Если температура ниже, то можно приготовить либо слабый раствор ³Не в ⁴Не, либо раствор ⁴Не в ³Не. Взаимная концентрация их зависит от температуры.