2.2.4. Металеві посудини Дьюара

Металеві посудини Дьюара більш міцні, ніж скляні. Крім того, їхньою перевагою є та обставина, що діаметр гелієвої посудини може бути лише дещо менше від зовнішнього діаметра посудини Дьюара. Це особливо важливо для досягнення максимального робочого об’єму всередині посудини, зовнішній діаметр якої повинен бути невеликим, наприклад внаслідок необхідності розміщення посудини між полюсними наконечниками магніту. Конструкція такої посудини показана на рис. 2.15. У звуженій частині рідкий гелій екранований не рідким азотом безпосередньо, а за допомогою мідного екрана 1, охолоджуваного за рахунок теплопровідності від розташованої вище посудини з рідким азотом 3. Таким чином, у звуженій частині всього три стінки відокремлюють робочий об’єм від зовнішнього середо­вища.

Рис. 2.15. Металева посудина Дьюара зі звуженою нижньою частиною: 1 – мідний екран; 2,3 – посудини для рідких гелію і азоту відповідно; 4 – патрубок; 5 – отвір

Крім того, металеві стінки можуть бути зроблені тоншими, ніж скляні. Не важко також при конструюванні мета­левої посудини розташувати стінки досить близько одна до одної. З цих причин зовнішній діаметр звуженої частини посудини може бути зроблений лише ненабагато більшим від внутрішнього діаметра гелієвої посудини. Наприклад, при робочому об’ємі діаметром 3,5 см зовнішній діаметр посудини може бути зроблений таким, що дорівнює 4,8 см.

Циліндричні посудини 2 і 3 відповідно для рідких гелію й азоту або принаймні їх верхні ділянки повинні бути тонкостінними і виконані зі сплаву з низькою теплопровідністю. Товщину стінок необхідно вибирати такою, щоб вони не м'ялися під впливом на них різниці тисків, що дорівнює 1 атм. Для посудин, можна використовувати труби з нержавіючої сталі з товщиною стінок близько 0,3 мм. Оскільки подібні посудини звичайно застосовують для експериментів у магнітних полях, усі їх деталі необхідно виготовляти з немагнітних матеріалів, а всі з'єднання, що знаходяться при низьких температурах, повинні здійснюватися твердим, а не м'яким припоєм. Зображену на рис. 2.15 посудину відкачують через патрубок 4, який потім закривають. Об’єми з рідкими гелієм і азотом оточені загальним вакуумованим простором, обидві частини якого з’єднані через отвір 5.

Попереднє охолодження внутрішнього об’єму до заливання в нього рідкого гелію зв'язане з деякими труднощами, тому що цей об’єм оточений високовакуумною ізоляцією і після заповнення посудини рідким азотом охолоджується досить повільно. Охолодити внутрішню посудину можна, заливши в неї рідкий азот, який потім можна видалити по трубці, пропущеній в заливний отвір в капці і досить тонкій, щоб її можна було опустити до дна «хвостової» частини. Якщо ця трубка ущільнена в отворі за допомогою пробки, то завдяки виникаючому у посудині надлишковому тискові рідкий азот буде виливатися назовні. Після того як він буде повністю видалений, трубку виймають, азот, який залишився, відкачують і заповнюють посудину газоподібним гелієм.

Трохи інша конструкція «хвоста» металевої посудини Дьюара зображена на рис. 2.16. При такій будові прилад 1 не занурений у рідкий гелій, а прикріплений зовні до дна гелієвої посудини 2. Прилад 1 оточений знімним радіаційним екраном 3 з міді. Нижня частина іншого радіаційного екрана 4, охолоджуваного рідким азотом, також є знімною. Зовнішня оболонка хвостової частини, що знаходиться, зрозуміло, при кімнатній температурі, прикріплена до основної частини вакуумного кожуха через ущільнення 5 із прокладкою круглого перетину. Для доступу до приладу 1 усі три стінки «хвоста» можуть бути легко зняті.

Особливо зручна така конструкція для оптичних досліджень. Якщо, як на рис. 2.16, у зовнішньому кожусі є вікна, а в екранах — отвори, пучок світла можна пропустити наскрізь через прилад.

Рис. 2.16. Металева посудина Дьюара з розбірною звуженою частиною, призначеною для оптичних досліджень: 1 – прилад; 2 – посудина з гелієм; 3 – мідний екран; 4 – радіаційний екран; 5 – ущільнення; 6 – вікна

Рис. 2.17. Розбірний кріостат: 1 – ущільнення круглого перерізу; 2 – посудина для рідкого гелію 3 - зразок

Шлях для світла при цьому виявляється коротким, йому не доводиться проходити крізь рідину. Вікна 6 і їх ущільнення знаходяться при кімнатній температурі. Однак при такій конструкції варто бути обережним при оцінці температури приладу, тому що не можна вважати, що вона дорівнює температурі рідкого гелію. У дійсності прилад може виявитися значно теплішим у залежності від енергії поглинутого ним випромінювання, і якості його теплового контакту з ванною рідкого гелію. Тому температуру зразка варто вимірювати якимось незалежним способом. Якщо експериментатор не має у своєму розпорядженні посудини Дьюара з вікнами, можна підводити світло до низькотемпературного приладу, а також відводити його за допомогою довгих світлопроводів, що проходять через капку посудини.

Для передачі світла з малими втратами можуть бути використані металеві труби, поліровані всередині, а також стрижні з прозорого пластику, скла або кварцу.

Інший варіант металевої посудини Дьюара показаний на рис. 2.17. Завдяки розбірному ущільненню 1 посудина з рідким гелієм 2 може бути вийнята або для заміни її іншою, або для доступу до зразка, якщо останній змонтований, як зображено на рис. 2.17, зовні гелієвої посудини.

Швидкість випаровування рідкого гелію з металевої посудини Дьюара не повинна бути вищою, ніж зі скляної.

Рис. 2.18. Хвостова частина металевої посудини Дьюара, яка виконана разом з наконечниками магніту

Щоб домогтися найменшої відстані між полюсними наконечниками магніту, останні можна вмонтувати в зовнішній кожух хвостової частини посудини, як показано на рис. 2.18. Та обставина, що радіаційний екран, охолоджуваний рідким азотом, закінчується вище від полюсних наконечників, не збільшує істотно швидкості випаровування.

Можливе використання металевих посудин Дьюара для рідкого гелію взагалі без екрана, охолоджуваного рідким азотом. Конструкція такої посудини показана на рис. 2.19.

Посудина з рідким гелієм 1, підвішена на тонкостінній трубці 2 з матеріалу з низькою теплопровідністю, оточена двома радіаційними екранами 3 і 4 з полірованої міді. Ці екрани прикріплені до трубки 2 і охолоджуються холодним гелієм, що випаровується. Внутрішній екран варто приєднувати до ділянки труби з температурою ~75 К, зовнішній — з температурою ~155 К. У цих умовах швидкість випаровування рідкого гелію може бути обмежена приблизно 50 см³/год. Перед наповненням рідким гелієм посудина повинна бути попередньо охолоджена, для чого всередину посудини заливають рідкий азот, який потім видаляють.

Рис. 2.19. Металева посудина Дьюара без екрана, охолоджуваного рідким азотом: 1 – посудина з рідким Не; 2 – тонкостінна трубка; 3,4 – радіаційні екрани

Металеві посудини Дьюара повинні бути оснащені покажчиком рівня того або іншого типу, тому що візуальне спостереження за процесом їхнього наповнення неможливе. У багатьох випадках досить установити на визначеній висоті вугільний термометр опору, який буде показувати момент, коли в посудину залита потрібна кількість гелію.