2.1.5. Сифони

Рідкий гелій переливається із посудини для зберігання в експериментальні кріостати через трубку з вакуумною ізоляцією, що часто називають «сифоном», хоча, строго кажучи, принцип сифона тут не використовується. Конструкція дуже простого сифона, показана на рис. 2.5. Зовнішньою оболонкою є тонкостінна латунна трубка 1 (товщина стінок близько 0,4 мм) зігнута, як показано на рис. 2.5.

Рис. 2,5. Виготовлення сифона: 1 – латунна трубка; 2 – відпалена тонкостінна трубка зі сплаву з низькою теплопровідністю; 3 – пластмасові розпірки, які вільно входять у латунну трубку; 4 – ущільнююча втулка; 5 – мідна трубка

Тонкостінна внутрішня трубка 2, через котру тече рідкий гелій, виготовляється зі сплаву з поганою теплопровідністю, для зменшення твердості її попередньо піддають відпалу до температури червоного розжарювання. На трубку вільно надіваються трикутні пластмасові розпірки 3, що утримуються на деякій відстані один від одного металевими втулками. Цю м'яку трубку проштовхують крізь латунну оболонку доти, поки на протилежному кінці оболонки не з'явиться невеликий шматок цієї трубки. Трикутні розпірки, що вільно проходять в оболонку, направляють внутрішню трубку, змушуючи її згинатися за формою зовнішньої, і центрують її. Завдяки цьому «тепловий контакт» виявляється слабким, тому що розпірки торкаються зовнішньої оболонки тільки в окремих точках. Тепер можна припаяти дві ущільнюючі втулки 4. Після випробувань на щільність сифон відкачують через мідний відросток 5, який можна потім розплющити і запаяти. Застосування як оболонки сифона латунної трубки робить його значно міцнішим у порівнянні із сифоном, зовнішньою оболонкою якого є звичайна тонкостінна трубка зі сплаву з поганою теплопровідністю. Хоча теплопровідність латуні відносно висока, кількість гелію, що випарувався за той короткий час, який займає переливання, мізерно мала.

Довге вертикальне коліно сифона опускається в посудину для зберігання гелію; воно повинне бути досить довгим і майже діставати до дна посудини. Однак торкатися дна коліно не повинно через небезпеку засмічення сифона осадом. Вакуумна оболонка сифона також повинна входити в гелієвий резервуар посудини для зберігання гелію.

Тоді будь – які залишкові гази в цій оболонці скондесуються і тиск їх парів буде дуже малим. На оболонці добре зробленого сифона при переливанні рідкого гелію зовсім не утворюється іній.

Рис. 2.6. Виготовлення прямокутного сифона: 1 – металічне колінце: 2 – поперечна трубка; 3 – щілина; 4 – втулка; 5 – патрубок

Виготовити описаний сифон дуже легко; однак може виникнути необхідність у сифоні прямокутної форми без напівкруглої верхньої частини, що займає досить багато місця над приладом. Конструкція такого сифона ілюструється рис. 2.6. Внутрішню трубку і оболонку виготовляють окремо; внутрішня частина складається з трьох шматків тонкостінної трубки і двох колін 1, як показано на рис. 2.6, а, а оболонка — із двох вертикальних трубок, припаяних твердим припоєм до досить міцної поперечної трубки 2 (рис. 2.6, б). Уздовж верхньої частини трубки 2 робиться щілина 3. При зборці сифона внутрішня переливна трубка вставляється через цю щілину в оболонку, і потім припаюються втулки 4 (рис. 2.6, в). Нарешті, вздовж верхньої частини трубки 2 м'яким припоєм припаюється мідна смужка так, щоб закрити щілину. Сифон можна відкачати через бічний патрубок 5 і запаяти. Якщо робити зборку дуже ретельно, сифон можна виготовити без яких-небудь прокладок між внутрішньою і зовнішньою трубками. Це, однак, є слабким місцем такої конструкції, і зборка істотно полегшується, якщо на внутрішню трубку одягнути кілька пластмасових шайб, що служать для того, щоб не допустити дотику між нею й оболонкою.

Рис. 2.7. Переливання рідкого гелію: 1 – вентиль; 2 – кріостат; 3 – посудина для зберігання рідкого гелію; 4 – відрізки гумової трубки; 5 – футбольна камера

Іноді конструкція приладу не дозволяє вставляти і виймати сифон і він повинен постійно бути прикріплений до гелієвого резервуара. Сифон у цьому випадку, звичайно, варто робити з тонкостінної трубки зі сплаву з низькою теплопровідністю. Потрібно звернути увагу на те, щоб у внутрішній трубці сифона не виникали коливання. Зручним може виявитися роз’ємний сифон; у такому сифоні можна відокремлювати від приладу ту його частину, що занурюється в посудину для зберігання.

Рис. 2.7 ілюструє спосіб застосування сифона для наповнення кріостата із посудини для зберігання гелію. Посудину для зберігання підносять до кріостата, попередньо охолодженого до температури рідкого азоту, і гумовою трубкою приєднують до нього через вентиль 1, розташований на капці кріостата. При закритому вентилі 1 сифон опускається в посудини 2, 3 і закріплюється в потрібному положенні за допомогою коротких відрізків гумової трубки 4, що здійснюють газонепроникні з'єднання, щільно охоплюючи сифон і патрубки на горловині посудини і на капці кріостата. Опускати сифон у посудину 3 для зберігання рідкого гелію треба повільно, щоб рідина не кипіла занадто сильно. Введення сифона в посудину приводить до випарування рідкого гелію і до підвищення тиску в ньому. Цей тиск витісняє рідкий гелій через сифон у кріостат 2. Футбольна камера 5 наповняється газом, і, стискаючи її, можна прискорювати потік гелію. Спочатку рідкий гелій, надходячи в кріостат, швидко випаровується й утвориться велика кількість холодного газу. Згодом вміст кріостата охолоджується до 4,2 К і рідкий гелій починає збиратися на дні. Коли це відбудеться, швидкість переливання зростає, завдяки чому тиск у посудині для зберігання падає і для підтримки потоку може виявитися необхідним сильніше стискати камеру 5. Коли кількість гелію в кріостаті стає достатньою, переливання припиняють, відкриваючи вентиль 1 і зрівнюючи тиск у посудинах. Після цього можна витягти сифон, а отвори закрити гумовими пробками.

Тиск у посудині, в яку переливають гелій, міняється характерним чином, і цим можна користуватися для спостереження за ходом процесу переливання, особливо в тих випадках, коли не можна заглянути в посудину. На початку процесу переливання, до того як рідина почне збиратися в прийомній посудині, у ній виникає надлишковий тиск близько 10 мм рт. ст., який можна спостерігати за допомогою манометра, приєднаного до кріостата. Коли рідина починає збиратися на дні кріостата, тиск падає приблизно до атмосферного. Це падіння тиску безпомилково свідчить про те, що кріостат почав наповнятися. Момент наповнення кріостата до бажаної висоти визначають за допомогою простого індикатора рівня з вугільного опору. Якщо гелій переливається в закриту металеву посудину, підвішену на вузькій трубці, через яку і здійснюється заливання, то після її заповнення тиск знову зросте.

Замість гумової камери переливання рідини можна здійснювати за допомогою газоподібного гелію, що надходить у посудину під невеликим надлишковим тиском з балона через редуктор. Можна також засмоктувати гелій, обережно відкачуючи кріостат ротаційним насосом.

Якщо не можна допустити перевитрат гелію, переливання варто проводити повільно, особливо до того моменту, коли рідина почне збиратися в прийомній посудині. Якщо швидкість потоку занадто велика, холодний газ витісняється з кріостата, перш ніж він встигне охолодити вміст. При правильному переливанні на капці кріостата не повинен утворюватися іній.

Час, затрачуваний на переливання рідкого гелію в кріостат, залежить від декількох факторів, зокрема від теплоємності вмісту кріостата. Досить приблизно можна вважати, що при звичайних умовах експерименту повинно пройти п'ять-десять хвилин, перш ніж рідкий гелій почне збиратися на дні кріостата. Дуже велику користь при переливанні приносить широкодіапазонний термометр, приєднаний до приладу, який дозволяє стежити за його температурою.