Частина 2. Кріогенна техніка Розділ 1. Зберігання і переливання гелію
2.1.1. Посудини для зберігання рідкого гелію
Рідкий гелій зберігається в металевих посудинах з вакуумною ізоляцією, подібних до посудини, зображеної на рис. 2.1. Такі посудини складаються в основному з двох металевих посудин Дьюара, одна всередині іншої.
Рис. 2.1. Металева посудина для зберігання рідкого гелію: 1-внутрішня посудина Дьюара; 2-зовнішня посудина Дьюара; 3- тонкостінна трубка
Внутрішня посудина 1 містить рідкий гелій, а в зовнішню посудину 2 налитий рідкий азот (повітря або кисень) для зменшення припливу тепла до внутрішньої посудини. Такі посудини ємністю від 2 до 100 л ефективні, оскільки втрачають не більше декількох сотень кубічних сантиметрів рідкого гелію за 24 години. (Виготовлювачі іноді вказують кількість рідкого гелію, що випаровується за день, як деяку частку наявної в посудині рідини. У дійсності швидкість випарування фактично не залежить від кількості рідини в посудині, і ця цифра є кількістю гелію, що випаровується за день, вираженим у вигляді частки повної ємності гелієвої посудини). В посудину необхідно періодично підливати рідкий азот (повітря або кисень), як правило, 2 або 3 л рідкого азоту в день. Такі посудини для зберігання досить міцні і перевезення наповнених посудин не викликає складності.
Гелієва посудина 1 (рис.2.1) підвішена на довгій тонкостінній трубці 3, зробленій зі сплаву з низькою теплопровідністю, такого як нержавіюча сталь або мельхіор. Ця гелієва посудина оточена вакуумованою областю, і коли в ній знаходиться рідкий гелій, якість вакуумної ізоляції винятково висока, тому що всі залишкові гази, що знаходяться у вакуумованому просторі, конденсуються на холодній поверхні і їх тиск мізерний. При цих умовах головними джерелами притоку тепла до гелієвої посудини є: 1) випромінювання від зовнішньої стінки вакуумованої порожнини, що знаходиться при температурі рідкого повітря; 2) випромінювання вздовж горловини; 3) тепло, яке надходить по горловині за рахунок теплопровідності стінок. Випромінювання через вакуумну оболонку зводиться до мінімуму, якщо внутрішні поверхні оболонки добре відполіровані. Випромінювання, що проникає через горловину, може бути значним джерелом теплопритоку, але зменшується, якщо трубка 3 має матову внутрішню поверхню, так що випромінювання поглинається цією трубкою, а тепло передається газові, що випаровується. Посудини, у яких швидкість випарування досить велика, іноді можуть бути виправлені за допомогою радіаційних екранів, підвішених до горловини. Відповідний екран у формі циліндра, вільно вставленого в горловину, що займає ділянку від отвору гелієвої посудини до верхньої частини вакуумної оболонки, можна зробити з легкого матеріалу з поганою теплопровідністю, наприклад з пінопласту. Цей екран поглинає випромінювання, що проходить по горловині і забезпечує хороший тепловий контакт між випаровуваним газом і трубкою 3.
Посудину для зберігання не слід залишати на довгий час з відкритою горловиною, тому що існує небезпека, що повітря і водяна пара з атмосфери скондесуються в горловині і закупорять її. Цієї небезпеки можна уникнути за допомогою простого клапана Бунзена, зробленого з короткого шматка гумової трубки, закритої з одного кінця, з поздовжнім розрізом (довжиною близько 1 см), зробленим у стінці трубки лезом бритви. Якщо відкритий кінець такого клапана одягнений на випускний отвір гелієвої посудини, повітря не може в нього потрапити, а коли в посудині набагато підвищується тиск, щілина відкривається і дозволяє вийти газоподібному гелієві.
Якщо газоподібний гелій потрібно зберігати, випускний отвір посудини для зберігання повинен бути з'єднаний трубкою з газгольдером низького тиску. На рис. 2.1 показаний зручний пристрій, що може бути постійно вставлений в отвір посудини. До одного з його патрубків приєднана гнучка трубка, що веде до газгольдера, а на інший прилаштована гумова футбольна камера, використовувана при переливанні рідини. Верхній отвір, через який вводиться сифон для переливання рідини, закритий гумовою пробкою. Газ, що виходить із посудини, може направлятися в лінію повернення газу через невеликий рідинний затвор, заповнений бутилфталатом. Цей затвор не дозволяє повітрю або водяній парі, що можуть випадково потрапити в систему зберігання, стікати в горловину посудини і накопичуватися там. Посудину можна установити на невеликому візку і підвозити до пристрою, у який потрібно перелити гелій.
У деяких лабораторіях застосовують спеціальний механізм на візку, який піднімає посудину на різні висоти, що відповідають різноманітним пристроям.
Посудину для зберігання бажано повертати для нового наповнення, залишивши в ньому трохи рідкого гелію. При цьому полегшується наповнення посудини і не витрачається рідина на охолодження його до 4,2 К. Однак бажано також інколи, скажемо раз у рік, відігрівати посудину до кімнатної температури, щоб видалити заморожену воду, що нагромадилась в ньому, і повітря.
Швидкість випарування гелію трохи зростає під час перевезення через тряску. Це зростання, однак, невелике. Наприклад, під час перевезення у вагоні швидкість випарування у 16-літровій посудині, що складала 300 см3 у день, зросла приблизно на 50%. Перевезення, таким чином, привело до надлишкового випаровування лише близько 6 см3 за 1 годину.