книги из ГПНТБ / Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике

над жидкостью, которое имеет место при установившемся режиме (при термодинамическом равновесии). Для жидкого гелия темпе­ ратурная шкала, определяемая таким способом, с достаточной степенью точности (порядка нескольких миллиградусов) совпадает

Рис. 128. График зависимости температуры жидкого гелия от давления насыщенного пара над его поверхностью

Откачка паров над жидким гелием с помощью обычных форвакуумных насосов с применением труб большого сечения дает воз­ можность получать температуру до 1-М ,2° К. Можно применять также угольные адсорбционные насосы, что существенно упрощает методику работы и саму аппаратуру и при определенных условиях обеспечивает охлаждение рабочего объема до 0,7° К.

В последнее время появилось значительное количество работ, посвященных этим вопросам [70]. В настоящем параграфе мы оста­ новимся лишь на некоторых известных способах получения темпе­ ратур от 0,4 до 0,87° К с применением откачки паров Не4.

Для эффективной откачки паров гелия и создания необходимого давления в системе требуется высокая скорость откачки. Так, на­ пример, при использовании диффузионных ртутных насосов с про­ изводительностью 40 л!с можно понизить температуру ванны с жидким гелием до 0,81° К при очень небольшом объеме жидкого гелия — всего около 1 см5. Для увеличения количества охлажден­ ного жидкого Не4 до 230 см3 при Т = 0,87° К требуется произво­ дительность откачки около 675 л!с при диаметре трубопровода откачки порядка 300 мм, причем с понижением температуры до 0,726° К (рне = 4,8 • 10_1 Н/м2) объем охлажденного жидкого гелия уменьшается до 1,4 см5. Во всех случаях особое внимание следует уделять уменьшению притока тепла к охлажденному объему жидкого гелия для повышения эффективности охлаждения этим способом20.

Некоторые типы дьюаров, применяемых для получения темпе­ ратур порядка 1° К, показаны на рис. 129 и 130 [71]. В дьюаре, изображенном на рис. 129, охлаждаемый объем жидкого гелия

20 Применение Не3 позволяет достичь температуры Т = 0,3°К [80].

Рис. 129. Гелиевый дыоар для получения тем­

пературы до 1° К путем откачки паров Не

6 — резонатор; 7 — блок спрессованных железо-аммо­ ниевых квасцов для измерения температуры Т по из­

Рис. 130. Конструкции криостатов для полу­ чения температур до 0,82° К (а) и 0,734° К (б)

і — гелиевый дыоар; 2 — экранирующий сосуд

находится в дьюаре 1 диаметром 12 мм, в который он подается с помощью игольчатого вентиля 10 из основного дьюара 5. Экран 4, расположенный внутри фигурной медной диаграммы 3, умень­ шает теплоприток сверху за счет излучения. Катушки Sn 9, резо­ натор 6, а также блок спрессованных железо-алюминиевых квас­ цов 7 служат для измерения температуры баллистическим методом по изменению магнитной восприимчивости квасцов. Откачка паров осуществляется двумя последовательно соединенными диффузион­ ными насосами (ЦВЛ-100 и ртутным ДРН-50) через патрубок 11 диаметром 35 мм, что позволяет получать температуру до 0,85° К в течение нескольких часов при начальной заливке в дьюар 5 около 2 л жидкого гелия,

242

этот «предварительно охлажденный» гелий через вентиль 4 вводят в

Практически время дегазации угля определяется по моменту улучшения ва­ куума в откачиваемом объеме с углем, поскольку при неполной активации ва­

куум не поднимается выше нескольких мм. рт. ст. при непрерывной работе форвакуумного насоса.

дьюар 2. Одновременно с этим начинает функционировать уголь­ ный насос, который уже через 10— \Ь мин создает в дьюаре 2 ва­ куум, соответствующий температуре жидкого гелия (около 0,70° К), который сохраняется в течение примерно двух часов, пока не прои­ зойдет насыщение активированного угля. Такой способ обладает тем преимуществом перед другими, что предельная температура охлажде­ ния почти не зависит от изменения температуры жидкого гелия в основном дьюаре 3 в пределах от 1,3 до 4,2° К, а также от воздей-

Рнс. 132. Капиллярная трубка

для откачки паров гелия

ствия теплового потока мощностью ~ 103 эргіс. Кроме того, малые габариты насоса и удобства работы делают его весьма перспектив­ ным для создания низкотемпературных криогенных устройств. Для регулировки температуры в пределах 0,7—1,3° К обычно ис­ пользуют дополнительный клапан в том месте, где угольный насос соединяется с «холодным» дьюаром. Регулируя скорость откачки таким клапаном, можно достаточно стабильно поддерживать лю­ бую из промежуточных температур в этой области.

При работе таких криогенных систем весьма большую роль иг­ рает наличие пленки из жидкого гелия II, так как ниже Х-точки (Т = 2,172° К) обычный жидкий гелий переходит в новоесостояние— жидкий гелий II, обладающий свойством сверхтеку­ чести. Образующаяся очень подвижная пленка Не II может сво­ бодно подниматься по поверхности сосуда к его более нагретой части и испаряется там. Это в сильной степени увеличивает скорость испарения гелия и требует поэтому повышения производительно­ сти откачивающих насосов. Для уменьшения влияния пленки из Не II можно применять диафрагмы с небольшими отверстиями (0,05—0,15 мм), располагаемые над поверхностью «холодного» жидкого гелия между «холодным» объемом и откачивающим трубо­ проводом. Это приводит к резкому снижению необходимой скоро­ сти откачки. Так, при отверстии диаметром 0,15 мм и Т = 0,74° К достаточно производительности насоса всего около 10 л!с.

При определенной скорости откачки минимальная температура гелиевой ванны будет тем ниже, чем меньше диаметр отверстия диафрагмы, однако с уменьшением диаметра отверстия время уста­ новления предельной температуры увеличивается (вплоть др 3,5 час

244

при диаметре 0,05 мм). Использование вместо диафрагмы с отвер­ стием тонкой капиллярной трубки, изогнутой в виде буквы S, часть которой находится в ванне с «холодным» гелием (рис. 132), позво­ ляет значительно уменьшить испарение гелия при не очень малом диаметре капиллярной трубки — порядка 0,3—2 мм.

§ 6. Получение температур от 1 до 0,01° К методом адиабатического размагничивания

Охлаждение методом адиабатического размагничивания [75, 76] основано на так называемом магнитокалориметрическом эффекте, который состоит в том, что при адиабатическом изменении намаг­ ниченности парамагнетиков их температура также изменяется, что связано с изменением степени упорядоченности элементарных магнитных моментов ионов или ядер, т. е. с изменением энтро­ пии системы. Количество тепла AQ, которое отбирается из системы при адиабатическом уменьшении степени ее намагничен­ ности, связано с изменением энтропии AS формулой

Если энергия взаимодействия между элементами системы (на пример, между магнитными моментами атомов или молекул и внеш­ ним полем, равная цН) превышает энергию теплового движения kT, то «беспорядок» в системе атомов или молекул исчезает и по­ является ориентация магнитных моментов частиц.

Поэтому можно написать, что

Как известно, между магнитным моментом m системы, ее тем­ пературой Т и внешним полем Я имеет место следующее соотноше­ ние (закон Кюри):

скими подуровнями примерно пропорционально полю Я, т. е. в слу­ чае не очень сильных {HIT < 1) и не очень слабых {HIT > 1)полей.

245

ления частиц по уровням). Предельное значение-величины Т бу­ дет тем ниже, чем слабее межмолекулярные (межатомные) взаимо­ действия, уширяющие уровни. По этой причине наиболее пригод­ ными для целей адиабатического охлаждения являются веществапарамагнетики, которые удовлетворяют по крайней мере следую­ щим двум условиям:

Процесс адиабатического охлаждения проводится следующим образом. Блок парамагнитной соли помещается в отдельный дьюар, который снаружи охлаждается жидким гелием до температуры 1—1,5° К с применением метода откачки паров. Производится мед­ ленное намагничивание парамагнетика во внешнем магнитном по­ ле, а выделяющееся при этом тепло отводится холодными парами

соль, откачивается для уменьшения теплового контакта с ванной жидкого гелия. Затем магнитное поле адиабатически выключается, что приводит к понижению температуры парамагнитной соли вплоть до Т 0,01° К. При наличии достаточно хорошей теплоизоляции время, в течение которого температура соли восстанавливается до ее первоначального значения, может составлять несколько де­ сятков часов.

Стабилизация температуры может быть достигнута путем при­ менения двух блоков парамагнитной соли, соединенных сверхпро­ водящим тепловым ключом и охлаждаемых попеременно.

Дальнейшее понижение температуры (вплоть до 10~°—-10-70 К) может быть достигнуто, если в качестве магнитной системы исполь­ зовать систему ядерных магнитных моментов, для которых уши­ рение уровней, обусловленное взаимодействиями между ядрами и электронами, весьма мало. Теоретическим пределом здесь, повидимому, является величина Т — 10~7° К 22, однако ввиду ма­ лости магнитных моментов ядер начальная температура охлажде­ ния должна быть порядка 0,01° К или еще меньше.

22 В настоящее время получены температуры Т= 10~° °.К при использовании ядер меди [75, 76].

246

§ 7. Другие способы получения температур ниже 1° К

Если на сверхпроводник, находящийся при некоторой темпе­ ратуре Т < Ге, наложить внешнее магнитное поле, доведя его изо­ термически до значения, большего критического (Я > HJ, то сверхпроводимость будет разрушена, причем одновременно с этим резко возрастает его энтропия S, что, в соответствии со сказанным выше, приведет к резкому понижению температуры этого сверх­ проводника.

Более детально это видно из следующих рассуждений.

где р —■плотность сверхпроводника; А — его атомный вес.

Из тепловой теоремы Нернста следует, что при абсолютном нуле величины Sn и Ss равны, поэтому величина dHJdT\j=0 = 0. Очевидно также, что аналогичные равенства должны выполняться и при Т = Тс в силу условий «сшивания». Поскольку при любой

ставляется вполне очевидным, поскольку в сверхпроводящей фазе степень упорядоченности частиц системы всегда больше, чем в нор­ мальной фазе, ввиду большей корреляции между электронами, обусловленной их спиновым спариванием, приводящим к конден­ сации в импульсном пространстве.

Величина Sn (0) — Sc (0) равна нулю при Я0 = 0, а при Яс >• 0 она положительна, так как dHJdT < 0.

Поэтому величина «скрытой теплоты перехода» Q = Т (Sn— 5С) при переходе в нулевом поле из сверхпроводящего состояния в нор­ мальное будет положительной, что приводит к охлаждению сверх­ проводника в случае адиабатического перехода (S) -> (л) при Я Ф 0. ■ Такой способ охлаждения обладает определенными преимуще­ ствами и недостатками.

Его преимуществом является то, что значительные охлаждения (до 0,07° К для тантала) могут быть получены в полях Я <; 100 з„ в то время как метод адиабатного размагничивания требует гораздо более высоких полей.

К недостаткам этого метода можно отнести, во-первых, то, что конечное (охлажденное) состояние достигается при неравном нулю поле Я и, во-вторых, то, что сверхпроводники при очень низких

247

температурах имеют весьма малую теплоемкость по сравнению с парамагнитными солями. Это представляет определенные неудоб­ ства, так как даже небольшой приток тепла сравнительно быстро повышает температуру охлажденного сверхпроводника. Поэтому применение такого способа может быть целесообразно только для

либо через трубку большого диаметра, заполненную мелким по­ рошком. При этом происходит разделение фаз: Не II отделяется

ния энтропии жидкого гелия на выходе трубки его температура уменьшается. Этот метод имеет тот же основной недостаток, что и описанный выше, — ввиду ничтожно малой теплоемкости жидкого гелия при низких температурах он является неэффективным хладоагентом.

Рассмотрим еще два способа понижения температуры с приме­ нением Не3.

Первый из них основан на эффекте поглощения тепла при рас­ творении жидкого Не3 в Не4 [77, 78].

Этот способ представляется весьма перспективным, поскольку он позволяет получать и поддерживать температуру менее 0,1° К при высоких значениях теплоподвода. Так, например, при работе в стационарном режиме температура в 0,1° К будет сохраняться даже при тепловыделении в гелиевой ванне до 1300 эргіс (за счет, например, работы каких-либо измерительных устройств), а при теп-

Другим способом получения низких температур при помощи Не3 является кристаллизация Не3 при Т ^ 0,3° К и давлении р порядка 20 атм. Свойство Не3 поглощать тепло при кристаллиза­ ции было предсказано И. Померанчуком [79—81].

В то время как для всех обычных веществ имеет место повыше­ ние их температуры при кристаллизации с применением высокого давления, для жидкого Не3 имеет место обратный эффект, посколь­ ку для твердой фазы’Не3 энтропия S больше, чем для жидкой фазы.

При Т 0 все частицы системы будут занимать в-основном самый нижний уровень, т. е. г 1 и S 0. Спим ядра Не3 равен Ѵ2, поэтому число всех возможных ориентаций спинов для N атомов

248

ствий, которые проявляются между спинами ядер Не3 при тем­ пературах Т ^ \ ° К, спины ядер будут стремиться стать антнпараллельными друг другу, что уменьшает число состояний системы до одного. Поэтому при Г 0 величина ln z О, т. е. энтропия жидкого Не3 при его охлаждении ниже ~ 1° К стремится к нулю.

Величина обменных сил зависит от амплитуды нулевых коле­ баний ядер Не3, поскольку при больших амплитудах велико раз­ мазывание волновых функций, а следовательно, и вероятность их перекрытия также велика 23.

В твердом Не3 нулевые колебания ядер в кристаллической ре­ шетке значительно меньше, чем в жидком Не3, поэтому в твердой фазе обменные эффекты несущественны, и энтропия не стремится к нулю с уменьшением температуры. Правда, при очень низких температурах, когда начинает сказываться очень слабое магнит­ ное взаимодействие между ядрами Не3, энтропия S для твердой фазы также будет стремиться к нулю, однако это будет иметь ме­ сто только при Т ~ 10 _7° К, которая, таким образом, и является теоретическим пределом для данного метода охлаждения.

Собственно, эффект охлаждения возникает потому, что при пе­ реходе Не3 из жидкой фазы в твердую за счет его кристаллизации при давлении р = 240 -г - 300 нісм2 происходит увеличение энтро­ пии системы, что и приводит к понижению ее температуры. Мини­ мальная температура, полученная таким методом, составляет около 0,02° К.

§ 8. Некоторые специальные типы металлических гелиевых криостатов

Применение сверхпроводящих соленоидов для получения сверх­ сильных магнитных полей (до 100 кгс и более) и работа с ними в ряде случаев связана с необходимостью иметь рабочий объем с локализованным полем при комнатной температуре для проведе­ ния, например, оптических, радиотехнических или других «высокотемпературных» измерений.

Конструктивно такой дьюар может быть выполнен по схемам, приведенным на рис. 133 а, б [84].

Соленоид представляет собой трехсекцноиную катушку, намо­ танную проводом марки РНС-3 из ниобий-циркониевого сплава с

'23 Напомним, что обменные'силы характеризуются обменным потенциалом >1

для оператора которого матричные элементы задаются соотношением

< р |А |ѵ > = 2 п <цр|1/|рѵ>,

Р

249

Р и с.-133. Гелиевые криостаты

33% циркония. Диаметр проволоки 0,2 мм, в поле Я = 15 кэ кри­

седними сверхпроводящими витками.

Соленоид имеет 3 секции, индуктивность которых равна пример­ но 2 Г и позволяет получать поле Я порядка .15 кэ. Токоподвод осуществляется двумя медными проводниками сечением 1,5 мм2. Такой соленоид может работать и в режиме «самозамыкания» при использовании теплового сверхпроводящего ключа.

250