Низькі температури Низькі температури - кріогенні температури, зазвичай температури, що лежать нижче
Зрідження газів
Низькі температури - кріогенні температури, зазвичай температури, що лежать нижче точки кипіння рідкого повітря (близько 80 К). Такі температури прийнято відраховувати від абсолютного нуля температури (-273,15 С, або 0 К) і виражати в кельвінах (4) (К).
На 13-му конгресі Міжнародного інституту холоду в 1971 була прийнята рекомендація, згідно з якою кріогенними температурами слід називати температури нижче 120 К. Однак ця рекомендація ще не набула широкого поширення; у цій статті розглядаються низькі температури кордоном
Одержання низьких температур. Для отримання та підтримки низьких температур зазвичай використовують скраплені гази. У посудині Дьюара, що містить скраплений газ, що випаровується під атмосферним тиском, досить добре підтримується постійна температура нормального кипіння Tn хладоагента. Практично застосовують такі холодоагенти (скраплені гази): повітря (TN = 80 К), азот (Tn = 77,4 К), неон (TN = 27,1 К), водень (TN = 20,4 К), гелій (TN = 4,2 К). Для отримання рідких газів служать спеціальні установки -жителі, в яких сильно стиснутий газ при розширенні до звичайного тиску охолоджується і конденсується. Зріджені гази можуть зберігатися досить довго в судинах Дьюара та кріостатах з гарною теплоізоляцією (порошкові та пористі утеплювачі, наприклад пінопласти).
Відкачуючи газ з герметизованої судини, що випаровується, можна зменшувати тиск над рідиною і тим самим знижувати температуру її кипіння. Т. о., зміною тиску пари над киплячою рідиною можна регулювати її температуру. Природна або примусова конвекція і хороша теплопровідність охолоджувача забезпечують при цьому однорідність температури у всьому об'ємі рідини. Таким шляхом вдається перекрити широкийдіапазон температур: від 77 До 63 До за допомогою рідкого азоту, від 27 До 24 К - рідкого неону, від 20 До 14 К - рідкого водню, від 4,2 До 1 К - рідкого гелію.
Методом відкачування не можна отримати температуру нижче потрійної точки охолодження. За більш низьких температур речовина твердне і втрачає свої якості хладоагента. Проміжні температури, що лежать між зазначеними вище інтервалами, досягаються у спеціальних кріостатах. Об'єкт, що охолоджується, теплоізолюють від хладоагента, наприклад, поміщають його всередину вакуумної камери, зануреної в зріджений газ. При невеликому контрольованому виділенні теплоти в камері (в ній є електричний нагрівач) температура об'єкта, що досліджується, підвищується в порівнянні з температурою кипіння хладоагента і може підтримуватися з високою стабільністю на необхідному рівні.
В ін. способі отримання проміжних температур охолоджуваний зразок поміщають над поверхнею хладоагенту, що випаровується, і регулюють швидкість випаровування рідини нагрівачем. Відведення теплоти від об'єкта, що досліджується, тут здійснює потік газу, що відкачується. Застосовується також метод охолодження, при якому холодний газ, що отримується при випаровуванні хладоагенту, проганяється через теплообмінник (зазвичай мідна трубка, звита в спіраль, або блок пористої міді), що знаходиться в тепловому контакті з об'єктом, що охолоджується.
Гелій при атмосферному тиску залишається рідким до абсолютного нуля температури. Однак при відкачуванні парів рідкого 4He зазвичай не вдається отримати температуру істотно нижче 1 До навіть за допомогою дуже потужних насосів (цьому заважають надзвичайно мала пружність насичених парів 4He та його надплинність). Тому для досягнення температур близько десятих часток Кельвіна вживають ізотоп гелію 3He (Tn = 3,2 К), який не єнадтекучим при цих температурах. Відкачуючи 3He, що випаровується, вдається знизити температуру рідини до 0,3 До.
Область температур нижче 0,3 До прийнято називатинаднизькими температурами. Для отримання таких температур застосовують різні методи.
Методом адіабатичного розмагнічування (магнітного охолодження) із застосуванням парамагнітної солі як охолоджувальну систему вдається досягти Н. т.
10-3 К. Тим же методом з використанням парамагнетизму атомних ядер було досягнуто Н. т.
10-6 К. Принципову проблему в методі адіабатичного розмагнічування (як, втім, і в ін методах отримання низьких температур) становить здійснення хорошого теплового контакту між об'єктом, який охолоджують, і охолоджувальною системою. Особливо це важко досягти у разі системи атомних ядер. Сукупність ядер атомів можна охолодити до наднизьких температур, але досягти такого ж ступеня охолодження речовини, що містить ці ядра, не вдається.
Для отримання температур порядку кількох мК тепер широко користуються зручнішим методом - розчиненням рідкого 3He в рідкому 4He. Застосовувана з цією метою установка називається рефрижератором розчинення. Дія рефрижераторів розчинення полягає в тому, що 3He зберігає кінцеву розчинність (близько 6%) в рідкому 4He до абсолютного нуля температури. Тому при дотику майже чистого рідкого 3He з розбавленим розчином 3He в 4He атоми 3He переходитимуть у розчин. При цьому поглинається теплота розчинення і температура розчину знижується. Розчинення здійснюється в одному місці приладу (в камері розчинення), а видалення атомів 3He з розчину шляхом відкачування - в іншому (в камері випаровування). При безперервній циркуляції 3He, що здійснюється системою насосів татеплообмінників, можна підтримувати в камері розчинення температуру
10-30 мк. необмежено довго. Потужність таких рефрижераторів визначається продуктивністю насосів, а гранично досяжна низька температура (кілька мК) - ефективністю теплообмінників та усуненням паразитного припливу теплоти.
Гелій 3He можна охолодити ще сильніше, використовуючи ефект Померанчука. Рідкий 3He твердне при тиску більше 30 бар. В області температур нижче 0,3 До збільшення тиску (у межі до 34 бар) супроводжується поглинанням теплоти та зниженням температури рівноважної суміші рідкої та твердої фаз (затвердіння йде з поглинанням теплоти). Таким шляхом було досягнуто температури
Вимірювання низьких температур
Первинним термометричним приладом для вимірювання термодинамічної температури аж до 1 К служить газовий термометр . Др. варіантами первинного термометра єакустичний і шумовий термометри, дія яких заснована на зв'язку термодинамічної температури відповідно до значення швидкості звуку в газі і інтенсивністю теплових флуктуацій напруги в електричному ланцюгу. Первинні прецезійні термометри використовуються в основному для визначення температур фазових рівноваг, що легко відтворюються, в однокомпонентних системах (т.з. реперних точок), які служать опорними температурними точками Міжнародної практичної температурної шкали (МПТШ-68). В області низьких температур такими реперними точками є: потрійна точка рівноважного водню (13, 81 К), точка рівноваги між рідкою та газоподібною фазами рівноважного водню при тиску 25/76 нормальної атмосфери (17,042 До), точка кипіння TN рівноважного водню (2 К), TN неону (27,102 К), потрійна точка кисню (54,361 К), TNкисню (90,188 К).