Розділ 2. Кріостати. Конструювання низькотемпературних установок
Кріостатом називають прилад, в якому можна проводити досліди при низьких температурах. На ранніх етапах розвитку фізики низьких температур кріостати часто поєднували з невеликими зріджувачами водню або гелію. У наші дні рідкий гелій, що заливається в кріостати, одержують, як правило, в окремих зріджувачах.
Насамперед кріостат повинен бути зроблений так, щоб притік тепла всередину був невеликий. Раніше, коли можливості використання рідкого гелію обмежувалися його кількостями близько декількох сотень кубічних сантиметрів, для зменшення притоку тепла, що випаровує рідкий гелій, приходилося вживати крайні заходи безпеки. Зараз, коли існують можливості використання рідкого гелію в кількостях близько декількох літрів, припустима більш висока швидкість його випарування, отже, і конструкція кріостатів може бути більш простою.
Найпростішим кріостатом може служити посудина Дьюара з рідким гелієм, у який занурена експериментальна апаратура. Для зменшення припливу тепла цю посудину звичайно поміщають усередині іншої посудини, наповненої рідким азотом (рідким повітрям або рідким киснем).
Температура киплячої рідини залежить від тиску її парів; чим нижче тиск, тим нижче температура, при якій відбувається кипіння рідини. Отже, знижуючи тиск у посудині Дьюара з рідким гелієм, можна понизити температуру гелію нижче від нормальної точки кипіння (4,2 К). Така посудина Дьюара повинна мати газощільну кришку (капку), яку з'єднують із входом вакуумного насоса. Насос використовують також для видалення з кріостата повітря перед заповненням його гелієм. У будь-якому випадку кріостат повинен бути газощільним, щоб повітря не могло проникнути всередину і там замерзнути, У разі необхідності збору газоподібного гелію викидний патрубок насоса з'єднують трубопроводом з газгольдером низького тиску.
2.2.1. Використання як кріостату посудини для зберігання гелію
Найпростішим кріостатом є, власне кажучи, сама посудина для зберігання рідкого гелію. У такій посудині можна проробити досить багато експериментів.
Рис. 2.10. Прилад, який занурюється в посудину Дьюара для зберігання рідкого гелію: 1 – прилад ; 2 – трубка зі сплаву з низькою теплопровідністю або зі скла (пірекс); 3 – коротка трубка; 4 – гумова пробка; 5 – гумова манжета; 6 – бокова трубка; 7 - ущільнення
Рис. 2.11. Прилад для одержання температур, нижчих 4,2 К в посудині для зберігання: 1 – зразок; 2 – трубка; 3 – камера; 4 – вакуумна ізоляція; 5 – клапан; 6 – дротик; 7 – капіляр; 8 – патрубок
На рис. 2.10 показаний простий пристрій, що може бути пропущений через горловину посудини для зберігання. Прилад 1 прикріплений до нижньої частини довгої тонкостінної трубки зі сплаву з малою теплопровідністю або ж скляної трубки 2. Ця трубка може переміщатися в короткій твердій трубі 5, вставленій в гумову пробку 4. Між трубками 3 і 2 за допомогою гумової манжети 5, обв'язаної дротом, утвориться газощільне ковзне ущільнення. Прилад 1 попередньо охолоджують, занурюючи його в рідкий азот (при цьому він знаходиться у верхньому положенні поблизу пробки 4). Потім пристрій швидко вставляють у горловину гелієвої посудини, ущільнюючи її вихідний отвір пробкою 4. Після цього опускають трубку 2 вниз, поки прилад не зануриться в рідину. Опускати прилад необхідно повільно, щоб він поступово охолоджувався в горловині і не викликав бурхливого викіпання рідкого гелію. Газоподібний гелій, що випарувався, виходить із посудини через бічну трубку 6. Електричні проводи й інші необхідні введення проходять всередині трубки 2 і виходять назовні через ущільнення 7. Щоб зменшити імовірність примерзання приладу 1 до горловини, його діаметр повиннен бути значно менше від діаметра горловини.
Нескладні прилади можна, зрозуміло, занурювати в посудину для зберігання і без ковзного ущільнення, показаного на рис. 2.10. Втрати гелію при цьому звичайно невеликі. Однак якщо прилад повинен залишатися в посудині тривалий час, варто використовувати яке-небудь ущільнення типу описаного вище, щоб запобігти конденсації повітря в горловині посудини, а також щоб у разі потреби збирати газоподібний гелій.
Для одержання температур нижче 4,2 К не рекомендується знижувати тиск у посудині для зберігання, тому що охолодження рідкого гелію з 4,2 К до, наприклад, 2 К супроводжується випаровуванням близько 1/3 вмісту посудини. На рис. 2.11 показаний простий пристрій, який дозволяє проводити експерименти всередині посудини для зберігання. До температур нижче 4,2 К в цьому випадку охолоджуються лише невеликі кількості гелію. Зразок 1 підвішений на тонкостінній трубці 2 зі сплаву з малою теплопровідністю так, що він знаходиться біля дна циліндричної камери для проведення експерименту 3. Камера оточена вакуумною оболонкою 4, яку вставляють у горловину посудини. У робочому положенні нижня частина кожуха занурена в рідкий гелій. Клапан 5 нормально підтримується пружиною в закритому стані. Його можна відкрити, потягнувши за дріт 6; при цьому в експериментальну камеру через капіляр 7 надійде деяка кількість рідкого гелію. Температуру в експериментальній камері можна знижувати, здійснюючи відкачку парів гелію через патрубок 8.