2.2.7. Застосування гелію-3.Температури нижчі 1 к

Вище було показано, що одержати температури нижчі 1 К з допомогою відкачки парів звичайного рідкого гелію досить важко. Нижня межа температури, яка досяжна при цьому способі, складає приблизно 0,73 К. Більш низькі температури можна одержати, використовуючи як холодоагент більш легкий ізотоп гелію Не³.

Нормальна температура кипіння гелію-3 дорівнює 3,2 К: при будь-якій температурі пружність його парів вища ніж у рідкого гелію-4. Тому при пониженні тиску над холодоагентом до певної величини у випадку гелія-3 одержуються більш низькі температури, ніж з гелієм-4. В гелії 3 не спостерігається фазового перетворення, подібного до переходу в надтекучий стан, у який переходить рідкий гелій-4 в λ-точці. Гелій-3 залишається нормальним (тобто не переходить в надтекучий стан) аж до дуже низьких температур (принаймні до 0,008 К, можливо, що гелій-3 стає надтекучим при ще більш низьких температурах). Тому в гелії-3 немає потоку плівки, яка переносить як рідину, так і тепло, і він може бути відкачаний до значно більш низьких тисків, ніж гелій-4. Ці дві причини дозволяють досить просто, одержувати з гелієм-3 температуру, нижчу за 0,5 К; навіть при використанні насосів з не дуже великою швидкістю відкачки досяжна температура 0,3 К. Таким чином, температури, які можуть бути одержані з допомогою рідкого гелію-3, змінюються в діапазоні, який перевищує 10-кратний діапазон зміни температури.

Гелій-3 є досить рідким ізотопом гелію. Оскільки гелій-3 доступний лише в невеликих кількостях, його не зріджують подібно до гелію-4 у великих масштабах і не зберігають в посудинах, з яких можуть бути залиті кріостати. Натомість гелієм-3 (який конденсується) заповнюють безпосередньо камери кріостатів, які попередньо охолоджені нижче від критичної температури гелію-3 (3,35 К) за рахунок теплообміну з ванною, заповненою звичайним рідким гелієм-4. Потім здійснюють теплову ізоляцію камери з гелієм-3 і понижують її температуру, відкачуючи пари гелію - 3 через ту саму трубу, яка раніше служила для подачі газу. Зазвичай гелій-3 може бути попередньо охолоджений в кріостаті за рахунок контакту з ванною гелію-4 приблизно до 1,25 К. Для того щоб при охолодженні рідкого гелію-3 з допомогою відкачки його парів частина рідини, яка залишається, могла бути охолоджена з 1,25 до 0,3 К, повинно випаруватися близько 10% її загальної кількості. В більшості експериментів декілька кубічних сантиметрів рідкого гелію-3 можуть зберігатись у приладі впродовж багатьох годин. Тому для проведення експериментів достатній запас гелію близько 1-2л газу при нормальних температурі і тиску.

Рис. 2.22. Схематичне зобра­ження простого кріостата для гелію-3: 1 – посудина; 2 – мідна камера; 3 – тонкостінна трубка; 4 – радіаційний екран; 5 – трубка

Кріостат для гелію-3 схематично зображений на рис. 2.22. Ємністю для рідкого гелію-3 служить невелика посудина 1, яка підвішена всередині мідної камери 2, на тонкостінній трубці 3 зі сплаву з низькою теплопровідністю (довжиною декілька сантиметрів). Спочатку посудину 1 відкачують, однак у камері 2 знаходиться повітря під тиском близько декількох сантиметрів рт. ст., яке використовується в даному випадку як теплообмінний газ для прискорення пониження температури камери 1 у звичайному процесі попереднього охолодження установки до температури рідкого азоту; після цього в посудину Дьюара заливають рідкий гелій-4; теплообмінний газ вимерзає на стінках камери 2, в якій при цьому створюється високий вакуум. Відкачка парів гелію-4 приводить до подальшого зниження його температури до значень нижчих від температури конденсації гелія-3 (наприклад, до ~1,3 К) після цього через трубу 3 подають газоподібний гелій-3, який конденсується на її стінках, що омиваються гелієм-4. Рідина стікає в посудину 1 і, випаровуючись, понижує її температуру. Таким чином, гелій-3 переносить тепло від посудини 1 до рідкого гелію-4, при цьому посудина 1 охолоджується за рахунок випаровування деякої кількості рідкого гелію-4. Поступова ця посудина 1 охолоджується до такої міри, що в ній може накопичуватись сконденсований гелій-3. Після наповнення посудини 1 її температуру можна понизити відкачкою парів через трубку 3. Досліджуваний зразок прикріплений до дна посудини й оточений радіаційним екраном 4. Електричні й інші дротини можуть бути підведені до зразка через трубку 5 і ущільнені на кришці кріостата при кімнатній температурі.

Температури значно нижче 1 К можуть бути також одержані і без застосування гелію-3. Техніка „адіабатичного розмагнічування” дозволяє досягнути температур, вищих за абсолютний 0, всього лиш на декілька мільйонних часток градуса.

Рефрижератори розчинення (що ґрунтуються на розчиненні гелію-3 в гелії-4) володіють високою холодопродуктивністю, забезпечують можливість підтримання низької температури впродовж невизначено тривалого часу. Завдяки цим перевагам перед іншими методами одержання температур близько 10^-2 К вони широко розповсюджені і налагоджений їх серійний випуск.