2.2.5. Зниження температури. Плівка гелію

Посудина з рідким гелієм може бути охолоджена нижче нормальної температури кипіння 4,2 К за рахунок зниження тиску в посудині і кипіння гелію при більш низькій температурі.

При зниженні температури гелієвої ванни як від приладу, так і від самого рідкого гелію повинне бути відведене тепло. Оскільки питома об'ємна теплоємність і ентальпія для рідкого гелію набагато більші, ніж для твердих тіл, майже вся кількість тепла, що підлягає відведенню з кріостата, утримується в рідкому гелії. Таким чином, при охолодженні цим методом велика частина гелію, що випаровується, йде для охолодження самої рідини. Дані табл. 1 показують, яка частина початкового об’єму рідкого гелію залишається після охолодження гелію за рахунок випаровування іншої частини з 4,2 К. З цих даних видно, що при зниженні температури за рахунок відкачки необхідно заповнювати гелієву посудину трохи більшою кількістю рідкого гелію, ніж необхідно після досягнення кінцевого стану.

Для зниження температури тиск варто зменшувати поступово, у противному випадку можливі додаткові втрати рідкого гелію. Швидкість відкачки повинна бути досить малою, щоб газ, який виходить, із кріостата встигав відігріватися до кімнатної температури. Обмерзання труб, що з'єднують кріостат з насосом, свідчить про занадто швидку відкачку, при якій частина охолодної здатності гелію витрачається даремно на охолодження труб.

Таблиця 1

Частка об’єму рідкого гелію, яка залишається після його охолодження з 4,2 к до вказаних температур в результаті випаровування іншої частини гелію

	Кінцева температура, К
	3,5	3,0	2,5	2,0	1,6
Частина рідини, що залишилась	0,83	0,74	0,68	0,63	0,58

Оскільки випаровування рідини відбувається безупинно, найменше значення тиску, а отже, і температури визначається максимальною швидкістю відкачки вакуумної системи. Із залежності пружності парів гелію від температури випливає, що якби вдалося знизити тиск до 210^-5 мм рт. ст., температура знизилася б до 0,5 К. На жаль, відкачкою неможливо понизити тиск до настільки малого значення, причиною чому є своєрідні властивості, якими володіє рідкий гелій, охолоджений нижче λ-точки, що дорівнює 2,17 К. Нижче від цієї температури поверхні, що стикаються з рідким гелієм, покриваються тонкою плівкою з надзвичайно рухливих атомів гелію. У посудині з гелієм II (так називають рідкий гелій нижче від λ-точки) від поверхні рідини по стінках піднімається плівка товщиною близько 100 Å до рівня, де температура стінок дорівнює температурі λ-точки, і тут випаровується. Оскільки наявність цієї плівки різко збільшує швидкість випаровування, насосу доводиться відкачувати набагато більше парів, ніж якби випаровування відбувалося тільки з поверхні рідини. Тому знизити тиск до дуже малих значень не вдається.

При безпосередній відкачці звичайної посудини Дьюара ротаційним насосом продуктивністю 150 л/с можна одержати мінімальний тиск близько 1,3 мм рт. ст., що відповідає температурі близько 1,3 К. Збільшивши швидкість відкачки за рахунок застосування великого дифузійного насоса, можна одержати більш низькі тиски і температури, наприклад до 0,1 мм рт. ст. (біля 1 К). Використовуючи високопродуктивні «бустерні» дифузійні насоси зі швидкістю відкачки близько 700 л/с, можна досягти мінімальної температури близько 0,73 К яка відповідає тискові ~0,0041 мм рт. ст. Очевидно, що для зниження температури рідкого гелію потрібні насоси не з низьким граничним тиском, а з великою швидкістю відкачки. У звичайних лабораторних умовах надто великі вакуумні насоси незручні, однак, як показано нижче, можна до деякої міри зменшити кількість рідини, яка відноситься плівкою і завдяки цьому використовувати менші насоси. Справа в тому, що швидкість переносу гелію по плівці, грубо кажучи, не залежить від довжини шляху, який проходить плівка, але пропорційна найменшому пересічному нею периметрові. Тому можна зменшити переніс гелію по плівці або зробивши всередині посудини звуження, як показано на рис. 2.20, або використовуючи посудини з можливо більш вузькою нижньою частиною.

Рис. 2.20. Посудина Дьюара з внутрішнім звуженням для зменшення переносу гелію ІІ по плівці

Варто пам'ятати, що після охолодження гелію з 4,2 К до λ – точки і нижче залишається лише близько ²/з його початкової кількості. Тому для збільшення часу роботи при найбільш низькій температурі посудина спочатку повинна бути заповнена так, щоб принаймні '/з рідини знаходилася над звуженою частиною. Над ділянкою з мінімальним периметром посудина повинна бути по можливості широкою для видалення парів при великій швидкості відкачки.

Навіть із насосами середніх розмірів можна досягти дуже низьких температур, якщо зробити отвір зовсім вузьким, наприклад діаметром близько 0,5 мм. При такому маленькому отворі температури до 0,75 К можуть бути отримані за допомогою насоса, швидкість відкачки якого складає усього кілька десятків літрів за 1 с. Однак для охолодження гелію при цьому може знадобитися кілька годин. На рис. 2.21 зображений кріостат, у якому низькі температури одержують у результаті відкачки гелієвої ванни через порівняно невеликий отвір. Швидкість руху плівки по шорсткуватій поверхні значно вища, ніж по гладкій. Тому для одержання низьких температур варто використовувати чисті посудини, з яких перед заповненням гелієм повністю вилучене повітря. Завдяки цьому на стінках не утвориться нальоту замерзлого повітря, що може на порядок збільшити швидкість переносу гелію по плівці.

Отже, загальна ситуація може бути коротко виражена в такий спосіб: при відкачці звичайної цилиндричної посудини Дьюара безпосередньо механічним насосом досяжні температури близько 1,3 К. Прийнявши заходи для зменшення переносу рідини плівкою і зниження припливу тепла, можна одержати температури до 0,85 К. Більш низькі температури (нижня межа близько 0,73 К) досягаються дуже важко внаслідок використання спеціально розробленої для цієї мети апаратури. Застосовуючи рідкий ізотоп гелію — гелій-3 можна одержати температури до 0,3 К.

При необхідності збору газоподібного гелію не можна, зрозуміло, використовувати механічні насоси з «повітряним баластом», що всмоктують повітря у викидний отвір.