Физика низких температур, Низкие температуры - Свойства веществ при низких температурах

Низкие температуры

Низкие температуры, криогенные температуры, обычно температуры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (около 80 К). Такие температуры принято отсчитывать от Абсолютного нуля температуры (--273,15 °С, или 0 К) и выражать в кельвинах (К). На 13-м конгрессе Международного института холода в 1971 была принята рекомендация, согласно которой криогенными температурами следует называть температуры ниже 120 К. Однако эта рекомендация еще не получила широкого распространения; в данной статье рассматриваются Низкие температуры с верхней границей ~ 80 К.

Получение низких температур. Для получения и поддержания Низкие температуры обычно используют сжиженные газы. В сосуде Дьюара, содержащем сжиженный газ, испаряющийся под атмосферным давлением, достаточно хорошо поддерживается постоянная температура нормального кипения TN хладоагента. Практически применяют следующие хладоагенты (сжиженные газы): воздух (TN = 80 К), азот (TN = 77,4 К), неон (TN= 27,1 К), водород (TN = 20,4 К), гелий (TN = 4,2 К). Для получения жидких газов служат специальные установки -- ожижители, в которых сильно сжатый газ при расширении до обычного давления охлаждается и конденсируется. Сжиженные газы могут сохраняться достаточно долго в Дьюара сосудах и Криостатах с хорошей теплоизоляцией (порошковые и пористые теплоизоляторы, например пенопласты).

Откачивая испаряющийся газ из герметизированного сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью и тем самым понижать температуру ее кипения. Т. о., изменением давления паров над кипящей жидкостью можно регулировать ее температуру. Естественная или принудительная конвекция и хорошая теплопроводность хладоагента обеспечивают при этом однородность температуры во всем объеме жидкости. Таким путем удается перекрыть широкий диапазон температур: от 77 К до 63 К с помощью жидкого азота, от 27 К до 24 К -- жидкого неона, от 20 К до 14 К -- жидкого водорода, от 4,2 К до 1 К -- жидкого гелия. Методом откачки нельзя получить температуру ниже Тройной точки хладоагента. При более низких температурах вещество затвердевает и теряет свои качества хладоагента. Промежуточные температуры, лежащие между указанными выше интервалами, достигаются в специальных криостатах. Охлаждаемый объект теплоизолируют от хладоагента, например, помещают его внутрь вакуумной камеры, погруженной в сжиженный газ. При небольшом контролируемом выделении теплоты в камере (в ней имеется электрический нагреватель) температура исследуемого объекта повышается по сравнению с температурой кипения хладоагента и может поддерживаться с высокой стабильностью на требуемом уровне. В др. способе получения промежуточных температур охлаждаемый образец помещают над поверхностью испаряющегося хладоагента и регулируют скорость испарения жидкости нагревателем. Отвод теплоты от исследуемого объекта здесь осуществляет поток откачиваемого газа. Применяется также метод охлаждения, при котором холодный газ, получаемый при испарении хладоагента, прогоняется через теплообменник (обычно медная трубка, свитая в спираль, или блок пористой меди), находящийся в тепловом контакте с охлаждаемым объектом.

Гелий при атмосферном давлении остается жидким вплоть до абсолютного нуля температуры. Однако при откачке паров жидкого 4He обычно не удается получить температуру существенно ниже 1 К даже с помощью очень мощных насосов (этому мешают чрезвычайно малая упругость насыщенных паров 4He и его Сверхтекучесть). Поэтому для достижения температур порядка десятых долей Кельвина употребляют изотоп гелия 3He (TN = 3,2 К), который не является сверхтекучим при данных температурах. Откачивая испаряющийся 3He, удается понизить температуру жидкости до 0,3 К. Область температур ниже 0,3 К принято называть сверхнизкими температурами. Для получения таких температур применяются различные методы. Методом адиабатического размагничивания (Магнитного охлаждения) с применением парамагнитной соли в качестве охлаждающей системы удается достичь Низкие температуры ~ 10-3 К. Тем же методом с использованием парамагнетизма атомных ядер были достигнуты Низкие температуры ~ 10-6 К. Принципиальную проблему в методе адиабатического размагничивания (как, впрочем, и в др. методах получения Низкие температуры) составляет осуществление хорошего теплового контакта между объектом, который охлаждают, и охлаждающей системой. Особенно это трудно достижимо в случае системы атомных ядер. Совокупность ядер атомов можно охладить до сверхнизких температур, но добиться такой же степени охлаждения вещества, содержащего эти ядра, не удается.

Для получения температур порядка нескольких МК теперь широко пользуются более удобным методом -- растворением жидкого 3He в жидком 4He. Применяемая для этой цели установка называется рефрижератором растворения. Действие рефрижераторов растворения основано на том, что 3He сохраняет конечную растворимость (около 6%) в жидком 4He вплоть до абсолютного нуля температуры. Поэтому при соприкосновении почти чистого жидкого 3He с разбавленным раствором 3He в 4He атомы 3He будут переходить в раствор. При этом поглощается теплота растворения, и температура раствора понижается. Растворение осуществляется в одном месте прибора (в камере растворения), а удаление атомов 3He из раствора путем откачки -- в другом (в камере испарения). При непрерывной циркуляции 3He, осуществляемой системой насосов и теплообменников, можно поддерживать в камере растворения температуру ~ 10--30 МК. Неограниченно долго. Холодопроизводительность таких рефрижераторов определяется производительностью насосов, а предельно достижимая Низкие температуры (несколько МК) -- эффективностью теплообменников и устранением паразитного притока теплоты. Гелий 3He можно охладить еще сильнее, используя Померанчука эффект. Жидкий 3He затвердевает при давлениях более 30 Бар. В области температур ниже 0,3 К увеличение давления (в пределе до 34 Бар) сопровождается поглощением теплоты и понижением температуры равновесной смеси жидкой и твердой фаз (затвердевание идет с поглощением теплоты). Таким путем были достигнуты температуры ~1--2 МК.

Похожие статьи




Физика низких температур, Низкие температуры - Свойства веществ при низких температурах

Предыдущая | Следующая