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

температурах имеют весьма малую теплоемкость по сравнению с парамагнитными солями. Это представляет определенные неудоб­ ства, так как даже небольшой приток тепла сравнительно быстро повышает температуру охлажденного сверхпроводника. Поэтому применение такого способа может быть целесообразно только для

либо через трубку большого диаметра, заполненную мелким по­ рошком. При этом происходит разделение фаз: Не II отделяется

ния энтропии жидкого гелия на выходе трубки его температура уменьшается. Этот метод имеет тот же основной недостаток, что и описанный выше, — ввиду ничтожно малой теплоемкости жидкого гелия при низких температурах он является неэффективным хладоагентом.

Рассмотрим еще два способа понижения температуры с приме­ нением Не3.

Первый из них основан на эффекте поглощения тепла при рас­ творении жидкого Не3 в Не4 [77, 78].

Этот способ представляется весьма перспективным, поскольку он позволяет получать и поддерживать температуру менее 0,1° К при высоких значениях теплоподвода. Так, например, при работе в стационарном режиме температура в 0,1° К будет сохраняться даже при тепловыделении в гелиевой ванне до 1300 эргіс (за счет, например, работы каких-либо измерительных устройств), а при теп-

Другим способом получения низких температур при помощи Не3 является кристаллизация Не3 при Т ^ 0,3° К и давлении р порядка 20 атм. Свойство Не3 поглощать тепло при кристаллиза­ ции было предсказано И. Померанчуком [79—81].

В то время как для всех обычных веществ имеет место повыше­ ние их температуры при кристаллизации с применением высокого давления, для жидкого Не3 имеет место обратный эффект, посколь­ ку для твердой фазы’Не3 энтропия S больше, чем для жидкой фазы.

При Т 0 все частицы системы будут занимать в-основном самый нижний уровень, т. е. г 1 и S 0. Спим ядра Не3 равен Ѵ2, поэтому число всех возможных ориентаций спинов для N атомов

248

ствий, которые проявляются между спинами ядер Не3 при тем­ пературах Т ^ \ ° К, спины ядер будут стремиться стать антнпараллельными друг другу, что уменьшает число состояний системы до одного. Поэтому при Г 0 величина ln z О, т. е. энтропия жидкого Не3 при его охлаждении ниже ~ 1° К стремится к нулю.

Величина обменных сил зависит от амплитуды нулевых коле­ баний ядер Не3, поскольку при больших амплитудах велико раз­ мазывание волновых функций, а следовательно, и вероятность их перекрытия также велика 23.

В твердом Не3 нулевые колебания ядер в кристаллической ре­ шетке значительно меньше, чем в жидком Не3, поэтому в твердой фазе обменные эффекты несущественны, и энтропия не стремится к нулю с уменьшением температуры. Правда, при очень низких температурах, когда начинает сказываться очень слабое магнит­ ное взаимодействие между ядрами Не3, энтропия S для твердой фазы также будет стремиться к нулю, однако это будет иметь ме­ сто только при Т ~ 10 _7° К, которая, таким образом, и является теоретическим пределом для данного метода охлаждения.

Собственно, эффект охлаждения возникает потому, что при пе­ реходе Не3 из жидкой фазы в твердую за счет его кристаллизации при давлении р = 240 -г - 300 нісм2 происходит увеличение энтро­ пии системы, что и приводит к понижению ее температуры. Мини­ мальная температура, полученная таким методом, составляет около 0,02° К.

§ 8. Некоторые специальные типы металлических гелиевых криостатов

Применение сверхпроводящих соленоидов для получения сверх­ сильных магнитных полей (до 100 кгс и более) и работа с ними в ряде случаев связана с необходимостью иметь рабочий объем с локализованным полем при комнатной температуре для проведе­ ния, например, оптических, радиотехнических или других «высокотемпературных» измерений.

Конструктивно такой дьюар может быть выполнен по схемам, приведенным на рис. 133 а, б [84].

Соленоид представляет собой трехсекцноиную катушку, намо­ танную проводом марки РНС-3 из ниобий-циркониевого сплава с

'23 Напомним, что обменные'силы характеризуются обменным потенциалом >1

для оператора которого матричные элементы задаются соотношением

< р |А |ѵ > = 2 п <цр|1/|рѵ>,

Р

249

Р и с.-133. Гелиевые криостаты

33% циркония. Диаметр проволоки 0,2 мм, в поле Я = 15 кэ кри­

седними сверхпроводящими витками.

Соленоид имеет 3 секции, индуктивность которых равна пример­ но 2 Г и позволяет получать поле Я порядка .15 кэ. Токоподвод осуществляется двумя медными проводниками сечением 1,5 мм2. Такой соленоид может работать и в режиме «самозамыкания» при использовании теплового сверхпроводящего ключа.

250

Особый интерес могут представить криостаты для жидкого ге­

суперизоляция), состоящая обычно из нескольких десятков или со­ тен слоев стеклоткани с прокладками из тонкой алюминиевой или медной фольги.

Возможность применения такой изоляции определяется тем, что в принципе теплопередача к гелиевой ванне по стенкам трубок подвеса через вакуумированное пространство может быть сделана на несколько порядков ниже, чем лучистая теплопередача от наруж­ ной стенки, находящейся при комнатной температуре.

Для уменьшения этого излучения весьма эффективным средством является использование большого числа отражающих экранов, поскольку коэффициент лучистой теплопроводности зависит от числа экранов п, причем результирующий тепловой поток определя­

ния (черноты) стенок и экрана.

Отсюда видно, в частности, что при одинаковых ЛэКіі для всех

то есть обратно пропорциональна числу экранов п.

В настоящее время в литературе имеется описание нескольких типов таких систем с суперизоляцией, заменяющей азотную «ру­ башку» [84, 86].

В [86] описан дьюар емкостью 25 л, имеющий потери на испаре­ ние всего 2,8% жидкого гелия в сутки.

Дьюар (рис. 134) представляет собой сосуд 1 для жидкого ге­ лия, окруженный полированным медным экраном 2, к наружной поверхности которого припаяна медная трубка 4 для охлаждения экрана парами гелия.

Горловина сосуда 3 изготовлена из стальной нержавеющей трубки 0 15 X 0,3 мм длиной около ПО мм. Между сосудом 1 и внешним корпусом 8 создается вакуум (р = ІО-3 Я/лг2), который поддерживается в этой системе благодаря наличию угольного ад­ сорбционного насоса 9, охлаждаемого жидким гелием.

В качестве суперизоляции применяется стеклобумага марки ВЭИ толщиной 0,12 мм, чередующаяся с листами тонкой (20 мкм)

251