2.1.2. Термоакустичні коливання

У газоподібному гелії, що заповнює трубку з відкритими кінцями, що з'єднує область низьких температур з областю більш високих температур, можуть виникнути повздовжні коливання. Енергія коливань може бути досить великою, і в область низьких температур може передаватися значна кількість тепла. Механізм виникнення цих коливань ще не цілком зрозумілий і точно встановити умови, при яких коливання можуть або не можуть виникнути, досить важко.

Коливання звичайно виникають у вузьких трубках (скажемо, діаметром менше 1 см, вздовж яких існує великий градієнт температури, але вони, очевидно, не виникають, якщо нижній кінець трубки має температуру вище – 30 К. Характер коливань може мінятися від ледь чутного гудіння до інтенсивних пульсацій з частотою в кілька десятків герц. Можна запобігти коливанням, якщо передбачити який-небудь спосіб демпфірування. Часто потрібний ефект дає дріт, пропущений всередині трубки. Якщо трубка не повинна бути герметичною, коливання можна припинити за допомогою невеликих отворів, зроблених у ній з інтервалом приблизно 10 см.

Подібні коливання виникають не тільки в циліндричних каналах; вони можуть виникнути, наприклад, у кільцевому просторі між зовнішньою оболонкою сифона і трубкою, у яку введений сифон для переливання рідини. Коливання бувають настільки інтенсивними, що переливання рідкого гелію стає утрудненим або навіть неможливим. З цієї причини зовнішній діаметр оболонки сифона повинен бути значно менший за діаметр горловини посудини, у яку він повинен вставлятись.

2.1.3. Вимірювач швидкості випаровування

На рис. 2.2 зображений простий прилад для вимірюванняшвидкості випаровування рідкого гелію в посудинах для зберігання або в кріостатах.

Рис. 2.2. Вимірювач швидкості випаровування: 1 - трубка, 2 - отвір, 3-скляний циліндр, 4 - трубка

Трубка 1 з отвором 2 на кінці проходить через бічну поверхню скляного циліндра 3. Об’єм частини циліндра вище від трубки дорівнює 700 см³, тобто об’єму, який займає при кімнатній температурі й атмосферному тиску газ, що утворюється при випаруванні 1 см³ рідкого гелію. Нижній кінець циліндра закінчується трубкою 4, вигнутою так, що її відкритий кінець знаходиться на рівні отвору 2. Прилад у переверненому положенні заповнюється водою через трубку 1 доти, поки циліндр не заповниться і вода не потече з трубки 4. Після цього прилад перевертають. У цьому робочому положенні приладу атмосферний тиск утримує воду в посудині. Трубку 1 за допомогою гумового шланга приєднують до патрубка для виходу газу із посудини, швидкість випаровування в якому повинна бути виміряна. Газові пухирці спливають у циліндрі 3 і витісняють воду через трубку 4. Засікається час, за який рівень води упаде до трубки 1; це і є час випаровування 1 см³ гелію.

Завдяки тому, що отвір трубки 4 і трубка 1 розташовані на одному рівні, газ у приладі знаходиться при атмосферному тиску, коли поверхня води опускається до трубки 1.

2.1.4. Вимірювачі рівня

Оскільки в металеву посудину не можна заглянути, необхідний пристрій, який показувавби, скільки гелію міститься в посудині. Ми розглянемо два типи вимірювань: щуп, що опускається в посудину періодично і відзначає момент, коли його нижній кінець торкається поверхні рідини, і вимірювач, що дозволяє неперервно реєструвати висоту рідини.

Рис. 2.3. Вимірю­вач рівня рідкого гелію

Рис. 2.4. Вимірю­вач рівня з вугільного опору

У найпростішо­му щупі використову­ються теплові коливання (рис. 2.3), що можуть виникати в газоподібному гелії. Такий щуп складається з довгої вузької тонкостінної трубки діаметром ~2,5 мм, виготовленої зі сплаву з малою теплопровідністю. Трубка опускається в посудину, і, коли нижній кінець охолодиться до температури рідкого гелію, у ній виникають коливання газу. Якщо кінець занурений у рідину, ці коливання мають досить низьку частоту, але якщо щуп підняти, щоб його кінець знаходився в газі саме над поверхнею рідини, то й амплітуда, і частота коливань помітно зростуть. Укріплений на кінці трубки циліндр з натягнутої на нього гумовою мембраною (рис. 2.3) дозволяє легко відчути пальцем зміну в характері коливань, що відбувається в момент проходження кінцем щупа поверхні рідини. Щуп такого типу дуже зручний, тому що його дуже легко зробити і для нього не потрібні жодні джерела живлення. Не варто, однак, залишати цей щуп у посудині увесь час, тому що коливання, які встановилися в ньому, приведуть до збільшення випаровування рідкого гелію.

Індикатором рівня може служити звичайний напівпровідниковий або вугільний опір, який використовується в радіотехніці. Знаходячись у газоподібному гелії, опір нагрівається струмом сильніше, ніж у рідині, тому що рідина ефективніше відводить тепло. Величина такого опору швидко зменшується з ростом температури. Тому в момент, коли рівень рідини проходить через опір, відбувається помітна зміна величини опору. Дуже проста, але корисна схема зображена на рис. 2.4. Тут R — вугільний опір, з якого для поліпшення теплового контакту із середовищем зняте ізолююче покриття. Струм вводиться від джерела з малим імпедансом, наприкладвід трансформатора, і коли опір з газуопускається в рідину, відбувається різке зменшення струму, яке реєструється приладом. Щоб підібрати найкращу робочу напругу, прийдеться, можливо, якийсь час поекспериментувати зі схемою. Якщо струм занадто малий, опір не нагрівається достатньо у газі, а якщо занадто великий, опір перегрівається навіть у рідині. Такий опір можна прикріпити до щупа, щоб знаходити рівень рідини в посудині; він також дуже корисний при заливанні металевих експериментальних кріостатів, у які не можна заглянути. У цьому випадку опір просто прикріплюється всередині посудини на відповідній висоті.

Не завжди зручно шукати поверхню рідкого гелію щупом; іноді буває потрібний прилад, який можна було б розмістити в посудині і який у будь-який час показував би рівень. В одному з таких вимірників використовується надпровідність танталового дроту. Тантал стає надпровідним при температурі приблизно на 0,1° вище від точки кипіння рідкого гелію. Якщо танталовий дріт частково занурений в рідкий гелій, то частина дроту, що знаходиться над поверхнею, охолоджується не дуже сильно і, пропускаючи струм, можна перевести її в нормальний стан. Однак, якщо струм не занадто великий, частина дроту, занурена в рідину, залишається надпровідною і має нульовий опір. Вимірюючи опір дроту, ми можемо сказати, яка частина його занурена. Зручний вимірювач рівня можна зробити з декількох метрів відпаленого танталового дроту діаметром 0,12 мм, навивши його на пластмасовий стрижень з різьбою. Така котушка кріпиться в гелієвій посудині у вертикальному положенні. Щоб підтримувати в нормальному стані ту частину котушки, що знаходиться в газі, може знадобитися струм близько 0,2 А. Опір котушки міняється лінійно з падінням рівня рідини. Може трапитись, що деяка ділянка дроту, розташована вище від поверхні рідкого гелію, виявиться надпровідним, тому рекомендується спочаткувідколібрувати вимірювальний прилад у посудині, у якій можна бачити рівень гелію.

У скляних посудинах Дьюара, які використовуються в застосовуваних експериментальних кріостатах, є несріблена вертикальна смуга, що дозволяє безпосередньо спостерігати рівень рідини. Гелій - дуже прозора безбарвна рідина, і побачити його поверхню не завжди легко. Деякі дуже легкі спінені пластмаси плавають у рідкому гелії, і, опустивши кілька шматочків такої пластмаси в посудину, можна істотно полегшити цю задачу.