Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

этот «предварительно охлажденный» гелий через вентиль 4 вводят в

Практически время дегазации угля определяется по моменту улучшения ва­ куума в откачиваемом объеме с углем, поскольку при неполной активации ва­

куум не поднимается выше нескольких мм. рт. ст. при непрерывной работе форвакуумного насоса.

дьюар 2. Одновременно с этим начинает функционировать уголь­ ный насос, который уже через 10— \Ь мин создает в дьюаре 2 ва­ куум, соответствующий температуре жидкого гелия (около 0,70° К), который сохраняется в течение примерно двух часов, пока не прои­ зойдет насыщение активированного угля. Такой способ обладает тем преимуществом перед другими, что предельная температура охлажде­ ния почти не зависит от изменения температуры жидкого гелия в основном дьюаре 3 в пределах от 1,3 до 4,2° К, а также от воздей-

Рнс. 132. Капиллярная трубка

для откачки паров гелия

ствия теплового потока мощностью ~ 103 эргіс. Кроме того, малые габариты насоса и удобства работы делают его весьма перспектив­ ным для создания низкотемпературных криогенных устройств. Для регулировки температуры в пределах 0,7—1,3° К обычно ис­ пользуют дополнительный клапан в том месте, где угольный насос соединяется с «холодным» дьюаром. Регулируя скорость откачки таким клапаном, можно достаточно стабильно поддерживать лю­ бую из промежуточных температур в этой области.

При работе таких криогенных систем весьма большую роль иг­ рает наличие пленки из жидкого гелия II, так как ниже Х-точки (Т = 2,172° К) обычный жидкий гелий переходит в новоесостояние— жидкий гелий II, обладающий свойством сверхтеку­ чести. Образующаяся очень подвижная пленка Не II может сво­ бодно подниматься по поверхности сосуда к его более нагретой части и испаряется там. Это в сильной степени увеличивает скорость испарения гелия и требует поэтому повышения производительно­ сти откачивающих насосов. Для уменьшения влияния пленки из Не II можно применять диафрагмы с небольшими отверстиями (0,05—0,15 мм), располагаемые над поверхностью «холодного» жидкого гелия между «холодным» объемом и откачивающим трубо­ проводом. Это приводит к резкому снижению необходимой скоро­ сти откачки. Так, при отверстии диаметром 0,15 мм и Т = 0,74° К достаточно производительности насоса всего около 10 л!с.

При определенной скорости откачки минимальная температура гелиевой ванны будет тем ниже, чем меньше диаметр отверстия диафрагмы, однако с уменьшением диаметра отверстия время уста­ новления предельной температуры увеличивается (вплоть др 3,5 час

244

при диаметре 0,05 мм). Использование вместо диафрагмы с отвер­ стием тонкой капиллярной трубки, изогнутой в виде буквы S, часть которой находится в ванне с «холодным» гелием (рис. 132), позво­ ляет значительно уменьшить испарение гелия при не очень малом диаметре капиллярной трубки — порядка 0,3—2 мм.

§ 6. Получение температур от 1 до 0,01° К методом адиабатического размагничивания

Охлаждение методом адиабатического размагничивания [75, 76] основано на так называемом магнитокалориметрическом эффекте, который состоит в том, что при адиабатическом изменении намаг­ ниченности парамагнетиков их температура также изменяется, что связано с изменением степени упорядоченности элементарных магнитных моментов ионов или ядер, т. е. с изменением энтро­ пии системы. Количество тепла AQ, которое отбирается из системы при адиабатическом уменьшении степени ее намагничен­ ности, связано с изменением энтропии AS формулой

Если энергия взаимодействия между элементами системы (на пример, между магнитными моментами атомов или молекул и внеш­ ним полем, равная цН) превышает энергию теплового движения kT, то «беспорядок» в системе атомов или молекул исчезает и по­ является ориентация магнитных моментов частиц.

Поэтому можно написать, что

Как известно, между магнитным моментом m системы, ее тем­ пературой Т и внешним полем Я имеет место следующее соотноше­ ние (закон Кюри):

скими подуровнями примерно пропорционально полю Я, т. е. в слу­ чае не очень сильных {HIT < 1) и не очень слабых {HIT > 1)полей.

245

ления частиц по уровням). Предельное значение-величины Т бу­ дет тем ниже, чем слабее межмолекулярные (межатомные) взаимо­ действия, уширяющие уровни. По этой причине наиболее пригод­ ными для целей адиабатического охлаждения являются веществапарамагнетики, которые удовлетворяют по крайней мере следую­ щим двум условиям:

Процесс адиабатического охлаждения проводится следующим образом. Блок парамагнитной соли помещается в отдельный дьюар, который снаружи охлаждается жидким гелием до температуры 1—1,5° К с применением метода откачки паров. Производится мед­ ленное намагничивание парамагнетика во внешнем магнитном по­ ле, а выделяющееся при этом тепло отводится холодными парами

соль, откачивается для уменьшения теплового контакта с ванной жидкого гелия. Затем магнитное поле адиабатически выключается, что приводит к понижению температуры парамагнитной соли вплоть до Т 0,01° К. При наличии достаточно хорошей теплоизоляции время, в течение которого температура соли восстанавливается до ее первоначального значения, может составлять несколько де­ сятков часов.

Стабилизация температуры может быть достигнута путем при­ менения двух блоков парамагнитной соли, соединенных сверхпро­ водящим тепловым ключом и охлаждаемых попеременно.

Дальнейшее понижение температуры (вплоть до 10~°—-10-70 К) может быть достигнуто, если в качестве магнитной системы исполь­ зовать систему ядерных магнитных моментов, для которых уши­ рение уровней, обусловленное взаимодействиями между ядрами и электронами, весьма мало. Теоретическим пределом здесь, повидимому, является величина Т — 10~7° К 22, однако ввиду ма­ лости магнитных моментов ядер начальная температура охлажде­ ния должна быть порядка 0,01° К или еще меньше.

22 В настоящее время получены температуры Т= 10~° °.К при использовании ядер меди [75, 76].

246

§ 7. Другие способы получения температур ниже 1° К

Если на сверхпроводник, находящийся при некоторой темпе­ ратуре Т < Ге, наложить внешнее магнитное поле, доведя его изо­ термически до значения, большего критического (Я > HJ, то сверхпроводимость будет разрушена, причем одновременно с этим резко возрастает его энтропия S, что, в соответствии со сказанным выше, приведет к резкому понижению температуры этого сверх­ проводника.

Более детально это видно из следующих рассуждений.

где р —■плотность сверхпроводника; А — его атомный вес.

Из тепловой теоремы Нернста следует, что при абсолютном нуле величины Sn и Ss равны, поэтому величина dHJdT\j=0 = 0. Очевидно также, что аналогичные равенства должны выполняться и при Т = Тс в силу условий «сшивания». Поскольку при любой

ставляется вполне очевидным, поскольку в сверхпроводящей фазе степень упорядоченности частиц системы всегда больше, чем в нор­ мальной фазе, ввиду большей корреляции между электронами, обусловленной их спиновым спариванием, приводящим к конден­ сации в импульсном пространстве.

Величина Sn (0) — Sc (0) равна нулю при Я0 = 0, а при Яс >• 0 она положительна, так как dHJdT < 0.

Поэтому величина «скрытой теплоты перехода» Q = Т (Sn— 5С) при переходе в нулевом поле из сверхпроводящего состояния в нор­ мальное будет положительной, что приводит к охлаждению сверх­ проводника в случае адиабатического перехода (S) -> (л) при Я Ф 0. ■ Такой способ охлаждения обладает определенными преимуще­ ствами и недостатками.

Его преимуществом является то, что значительные охлаждения (до 0,07° К для тантала) могут быть получены в полях Я <; 100 з„ в то время как метод адиабатного размагничивания требует гораздо более высоких полей.

К недостаткам этого метода можно отнести, во-первых, то, что конечное (охлажденное) состояние достигается при неравном нулю поле Я и, во-вторых, то, что сверхпроводники при очень низких

247