Розділ 4. Регулювання температури
Розглядаючи питання про регулювання температури, варто розрізняти три випадки: 1) бажані температури можуть бути отримані при зануренні приладу в рідкий холодоагент. У цьому випадку проблема полягає в підтримці холодоагенту при заданій температурі, що звичайно досягається регулюванням тиску над рідиною; 2) потрібні температури лежать вище від точки кипіння рідкого холодоагенту. У цьому випадку тепловий контакт приладу з холодоагентом роблять слабким і підводять тепло до такої міри, щоб температура зросла до необхідного значення; 3) бажані температури досягаються без використання рідкого холодоагенту в результаті з'єднання приладу з яким-небудь типом рефрижератора, холодопродуктивність якого регулюється відповідним чином.
2.4.1. Регулювання тиску парів
Температура кипіння рідини залежить від тиску над її поверхнею: чим нижче тиск, тим нижче температура. Слід зазначити, що атмосферний тиск може змінюватися в межах близько 50 мм рт. ст., тому рідкий гелій, що кипить при атмосферному тиску, може мати температуру від 4,1 до 4,3 К.
Регулюючи тиск у посудині, можна змінювати температуру приладу, зануреного в рідкий холодоагент. За допомогою рідкого гелію досяжні температури приблизно від 5 до 0,75 К. У результаті припливу тепла в кріостат і виділення тепла в приладі рідина постійно випаровується, тому для підтримки постійної температури необхідно відкачувати пари з тією швидкістю, з якою вони утворюються, тобто швидкість відкачки повинна бути точно відрегульована. Найбільш просто це здійснити ручним регулюванням вентиля на лінії, що з'єднує кріостат з насосом. Паралельно з вентилем з великим перетином проходу зручно мати голчастий вентиль, як показано на рис. 2.24, а. Температури приблизно до 2 К можна одержати відкачкою через менший вентиль, а великий вентиль відкривають, щоб забезпечити досягнення більш низьких температур.
Рис. 2.24. Прості методи регулювання температури киплячої рідини: 1 – насос
Іншим способом регулювання швидкості відкачки є регульований перепуск газу на вхід насоса (рис. 2.24, б). Цей метод корисний при низьких тисках і дозволяє уникнути застосування вентилів на головній лінії відкачки.
Якщо обрані вентилі не мають люфту, підтримувати постійну температуру виявляється досить неважко. Досяжна стабільність великою мірою залежить від чутливості приладу, використовуваного для реєстрації змін температури.
Рис. 2.25. Масляні манометри для регулювання температури: а – вертикальний манометр, б – похилий манометр: 1 – кран; 2 – сферичні порожнини; 3 – колба; 4 – стрілка покажчик; 5 – направляюча
Для цієї мети дуже зручний диференціальний .масляний манометр, подібний до зображеного на рис. 2.25, а. Відкриваючи кран 1, установлюють таку швидкість відкачки, що забезпечує одержання бажаної температури. Після цього кран 1 закривають, так що в правій частині манометра залишається газ при тиску, що відповідає отриманій температурі; тиск цього газу може потім служити еталоном. Тепер можна підтримувати температуру гелію в кріостаті постійною, обережно регулюючи швидкість відкачки так, щоб рівні масла в манометрі збігалися. Звичайно, при навмисній зміні температури в кріостаті кран 1 необхідно відкривати. Раніш або пізніше, однак, експериментатор забуде це зробити, і тому щоб уникнути попадання масла в прилад, варто обладнати манометр спеціальними порожнинами 2.
Якщо температура еталонного газу зміниться, зміниться і його тиск. Цей ефект, однак, малий; зміна кімнатної температури на 5 К приводить до зміни тиску в манометрі, що відповідає зміні температури рідкого гелію усього на ~0,3%.
Якщо температура повинна підтримуватися з високою точністю, цих коливань тиску можна уникнути, помістивши колбу 3 у посудину Дьюара, заповнену маслом. Якщо об’єм цієї колби великий у порівнянні з іншими об’ємами правої частини манометра, еталонний тиск не буде істотно змінюватися при зміні кімнатної температури. Можна забезпечити ще більш точне регулювання температури, використовуючи похилий манометр, показаний на рис. 2.25 б. Стрілку 4, що може пересуватися по направляючій 5, при закритому крані встановлюють на рівні меніска масла. Невеликі зміни тиску викликають сильні бічні зсуви меніска і, такий спосіб, забезпечується дуже точний контроль тиску.
Рис. 2.26. Автоматичні регулятори тиску: 1 – вхідна трубка; 2 – вихідна трубка; 3 – вакуумнощільна посудина; 4 – тонкостінна трубка; 5 – вентиль; 6 – поплавок; 7 – отвір
У ряді випадків зручно регулювати температуру холодоагенту автоматично. Існує кілька простих пристосувань, що автоматично регулюють швидкість відкачки і тим самим підтримують тиск парів постійним на будь-якому бажаному рівні.
Ефективний і до того ж дуже простий прилад, зображений на рис. 2.26, а. Вхідна трубка 1 приєднана до кріостата, а вихідна 2 – до насоса. Ці дві трубки з'єднуються усередині вакуумнощільної посудини 3 дуже тонкостінною трубкою 4.
Кріостат відкачують до потрібного тиску при відкритому вентилі 5, так що при цьому усередині і зовні трубки 4 тиск однаковий. Коли необхідний тиск досягнутий, вентиль 5 перекривають і зовні трубки 4 зберігається цей заданий тиск. Якщо насос буде продовжувати зменшувати тиск, трубка стиснеться під дією надлишкового тиску зовні і зменшить швидкість відкачки. Коли тиск у кріостаті підніметься набагато вище від заданого, трубка 4 злегка розтягнеться, що дозволить насосові знизити тиск. Трубка 4 повинна бути досить довгою і провисати так, щоб вона могла цілком перекритися під дією зовнішнього тиску. Кінці трубок 1 і 2 закриті дротяними сітками, щоб трубку 4 не засмоктало в них.
Інший, трохи більш складний, пристрій, називається маностатом Декарта, зображений на рис. 2.26 б. У цьому приладі усередині поплавка 6, що плаває в ртуті, зберігається заданий еталонний тиск. Верхній отвір поплавка затягнутий гумовою мембраною. Якщо тиск у кріостаті, а отже, й над поплавком 6, падає нижче від еталонного тиску усередині поплавка, останній спливає і діафрагма притискається до отвору 7, перекриваючи шлях відкачки. Скляні бусинки на бічній поверхні поплавка центрують його в трубці, дозволяючи йому вільно підніматися й опускатися. Діаметр отвору 7 повинен бути багато меншим, ніж діаметр верхньої частини поплавка 6, інакше після запирання отвору мембрана буде затримуватися там на якийсь час через присмоктування (оскільки насос буде відкачувати трубку над 7) навіть після того, як тиск у кріостаті зросте. Це може привести до коливань тиску в кріостаті з великою амплітудою. Навіть правильно діючий поплавок може вібрувати, викликаючи невеликі коливання тиску біля середнього значення. При необхідності малий отвір 7 обмежує швидкість відкачки і відповідно мінімальну температуру, яку можна досягти за допомогою цього пристрою.
При більш низьких тисках парів, коли описані вище прості маностати не діють належним чином, або в тих випадках, коли необхідний дуже високий ступінь стабільності температури, для регулювання температури ванни рідкого гелію можна користуватися електричним нагрівачем.
Рис. 2.27. Система регулювання тиску парів: 1 – фото транзистор; 2 – підсилювач
На рис. 2.27 зображено дуже простий пристрій, у якому зміна рівня в диференціальному масляному манометрі реєструється фотоелементом, а виникаючий сигнал керує струмом нагрівача, поміщеного в рідкий гелій. Частина трубки диференціального манометра, що містить масло, утворить циліндричну лінзу, що фокусує світло маленької електричної лампочки, що знаходиться проти неї, у лінійне зображення, розташоване в декількох міліметрах від лінзи. Фототранзистор 1 поміщають у площині зображення так, що з ростом рівня масла збільшується освітленість його чутливої області. Цей фототранзистор являє собою перший каскад простого трикаскадного напівпровідникового підсилювача, третій каскад якого керує нагрівачем, збільшуючи струм у ньому, коли освітленість фототранзистора 1 зростає. Цей прилад може стабілізувати висоту масляного стовпа з точністю до 0,2 мм, що еквівалентно зміні тиску на 0,015 мм рт. ст. або стабільності температури з точністю 0,2% при 1,3 К. При більш високих температурах точність регулювання температури ще вища.
Поряд з таким пристроєм для визначення зміни температури рідини можна використовувати термометр опору. У приладі в одне з пліч моста Уітстона включений вугільний опір. Міст врівноважують, коли рідина охолоджена до бажаної температури. Будь-яка наступна зміна температури викликає відхилення нульового гальванометра — нульового індикатора моста, що змінює освітленість фотоелемента, розташованого проти його шкали. Фотоелемент із підсилювачем керує струмом нагрівача, що знаходиться в рідині, так, щоб скорегувати зміну температури.