к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Криостат

Криостат (от греч. kryos - холод, мороз и statos - стоящий, неподвижный) - прибор для проведения низкотемпературных фиа. исследований или тер-мостатирования разл. объектов при низких (90-0,ЗК) и сверхнизких (T<0,3 К) темп-pax. К. различаются как по физ. процессу, приводящему к охлаждению либо к поддержанию заданной температуры, так и по используемому хладагенту.

Криостат откачки паров криожидкостей. Для получения и поддержания низких температур обычно применяют сжиженные газы, помещаемые в сосуды Дьюара. Откачивая пары этих газов, удаётся перекрыть следующие интервалы температур: 90-55 К (кислород); 78-63 К (азот); 27-24,5 К (неон); 20,4-14 К (водород); 4,2- 1,0 К (4Не). Для получения температур Т<1 К (до 0,3 К) используют 3Не, к-рый имеет более низкую, чем 4Не, температуру кипения и не образует сверхтекучих плёнок на стенках откачиваемых камер (см. Гелий жидкий). Для теплоизоляции К., заливаемого жидкими кислородом и азотом, обычно достаточной оказывается высоковакуумная изоляция либо суперизоляция из большого кол-ва слоев металлизиров. полимерной плёнки. В гелиевых К. применяются также тепловые экраны с использованием вспомогат. хладагента (напр., азота) либо охлаждения потоком паров гелия. В К. откачки паров 3Не тепловым экраном обычно служит ванна с 4Не (рис. 1). В гелиевой ванне располагается вакуумная камера, в к-рой подвешены обычно на тонкостенных нержавеющих трубках т. н. одноградусная камера (камера Уитли) и камера откачки 3Не. В первую камеру через дроссель непрерывно поступает жидкий 4Не из гелиевой ванны, к-рый одновременно откачивается, чем поддерживается равновесная темп-pa гелия (1,2-1,4К). Одноградусная камера в данной конструкции необходима для конденсации и макс. охлаждения 3Не, поступающего в камеру откачки 3Не. После одноградусной камеры поток жидкого 3Не также проходит через дроссель и поступает в камеру откачки 3Не. При этом ок. 10% поступающей жидкости расходуется на то, чтобы охладить её от 1,2К до 0.ЗК. Регулируя мощность, рассеиваемую в нагревателе, можно получать соответствующие температуры.


2531-104.jpg

Рис. 1. Принципиальная схема криостата непрерывной откачки паров 3Не: 1 - азотная ванна, 2 - медный экран, 3 - гелиевая ванна, 4 - вакуумная камера, 5 - одноградусная камера (камера непрерывной откачки 4Не), 6 - камера откачки 3Не, 7 - дроссели на линиях возврата 3Не и 4Не, 8 - экраны теплового излучения.


С понижением температуры всё более трудной задачей является установление хорошего теплового контакта между исследуемым образцом и хладагентом (это особенно относится к исследованиям, приводящим к разогреву образца,- оптическим, СВЧ и нейтронографическим). Для уменьшения теплового сопротивления между образцом и криожидкостью (см. Капицы скачок температуры)используют развитые поверхности из спечённого порошка меди пли серебра. В зависимости от выполняемых исследований К. могут быть снабжены оптич. окнами (оптический К.), сверхпроводящим соленоидом, СВЧ-вводами.

Давление насыщенных паров над жидкостью уменьшается экспоненциально с понижением температуры. Поток массы через границу раздела жидкой и газообразной фаз и через систему откачки пропорционален давлению пара, и, следовательно, хладопроизводительность откачки К. уменьшается экспоненциально с понижением температуры. Этим и определяется практич. температурный предел К. откачки.

Криостат (рефрижератор) растворения 3Не в 4Не. Действие К. этого типа основывается на том, что энтальпия раствора, рассчитанная на 1 моль 3Не в растворе, существенно больше энтальпии концентрированного 3Не. По этой причине процесс растворения 3Не в 4Не при пост. давлении сопровождается поглощением теплоты 2531-105.jpgQ. Большая хладопроизводительность этого метола связана также с тем, что при Т2531-106.jpg0 растворимость 3Не в 4Не остаётся конечной н равной 2531-107.jpg6% для насыщенного раствора. В этом случае при растворении 1 моля 3Не поглощается кол-во теплоты 2531-108.jpgQ=94,5 Т2т- - 12,5 Тc2, где Тт- темп-pa раствора 3Не в 4Не; Тс - темп-pa поступающего 3Не. Для непрерывной работы К. растворения требуется разделение используемых 3Не и 4Не. С этой целью производят откачку паров над смесью при Т2531-109.jpg (0,6-0,8)К. При этих темп-pax давление насыщенного пара 3Не более чем на порядок превышает давление паров 4Не. Т. о., откачивается практически 3Не. Др. способ разделения изотопов - прохождение раствора через сверхтекучий фильтр, пропускающий только сверхтекучий компонент 4Не и задерживающий нормальный компонент и примесь 3Не. В первом случае в К. растворения циркулирует 3Не (рис. 2, а), во втором случае - 4Не (рис. 2, б). Макс. охлаждение 3Не, поступающего в камеру растворения, достигается с помощью противоточных теплообменников. Темп-pa, получаемая в К. растворения с циркуляцией 3Не, определяется в основном эффективной площадью поверхности теплообменников (2531-111.jpg, м2), скоростью циркуляции 3Не (2531-112.jpg, моль/с) и притоком теплоты к камере растворения (2531-113.jpg, Вт):

2531-114.jpg

где Rк- УД- сопротивление Капицы (2531-115.jpg10-2 м2К/Вт).


2531-110.jpg

Рис. 2. Принципиальная схема криостатов растворения 3Не в 4Не: а - с циркуляцией 3Не; б - с 4Не (сосуд Дьюара и гелиевая ванна не показаны); 1 - одноградусная камера, 2 - вакуумная камера, 3 - камера растворения, 4 - камера испарения, 5 - сверхтекучий фильтр, 6 - непрерывный теплообменник, 7 - ступенчатые теплообменники, 8 - камера расслоения 3Не и 4Не, 9 - камера откачки 3Не, Р - раствор 3Не в 4Не, К - концентрированный 3Не.


Для получения мин. температур в К. растворения необходимо максимально ограничить приток теплоты и развить поверхность теплообменников. При 2531-116.jpg250 м2 в К. растворения получена температура 2 мК. К. растворения с циркуляцией 2531-117.jpg10-3 моль/с и хладопроизводительностью 2531-118.jpg100/T4 Вт (при Т2531-119.jpg6-30 мК) хорошо зарекомендовали себя в качестве рефрижераторов для предварит. охлаждения ступеней адиабатич. размагничивания (см. Магнитное охлаждение).

Кристаллизационный криостат 3Не основан на использовании Померанчука эффекта ,согласно к-рому в области температур 1-300 мК величина производной от давления по температуре 2531-120.jpg на кривой плавления 3Не отрицательна. Вследствие этого адиабатич. сжатие 3Не приводит к понижению его температуры с одноврем. образованием твёрдой фазы. Практически кристаллизация 3Не позволяет получить Т2531-121.jpg1 мК, если 3Не был предварительно охлаждён до 10-30 мК. Принципиальная схема кристаллизационного К. показана на рис. 3. Камера с подвижными стенками, заполненная 3Не, соединена хладопроводом с рефрижератором, обеспечивающим предварит. охлаждение (обычно К. растворения 3Не в 4Не). На хладопроводе имеется тепловой ключ, служащий для размыкания теплового контакта между рефрижератором и компрессионной камерой. Давление 3Не в компрессионной камере поднимают через систему (линию) заливки 3Не до 2,93 *106 Па (29,3 бар), что соответствует минимуму на кривой плавления 3Не. Дальнейшее сжатие 3Не через систему заливки невозможно, т. к. в последней образуется пробка твёрдого 3Не в области, соответствующей температуре 300 мК. Дальнейшее повышение давления в компрессионной камере обычно осуществляется прессом, заполненным 4Не. Кристаллизационный К. применяют для исследований низкотемпературных свойств жидкого и твёрдого 3Не.

2531-122.jpg

Рис. 3. Принципиальная схема кристаллизационного криостата 3Не: 1 - рефрижератор предварительного охлаждения, 2 - тепловой ключ, 3 - хладопровод, 4 - компрессионная камера, 5 - пресс с 4Не.

2531-123.jpg

Рис. 4. Принципиальная схема криостата ядерного размагничивания меди (ИФП АН СССР): 1 - ванна с гелием, 2 - вакуумная камера, 3,7 - тепловой экран, 4 - камера растворения 3Не в 4Не, 5 - конические тепловые контакты, 6 - сверхпроводящий тепловой ключ, 8 - хладопровод, 9 - экспериментальная камера, 10 - экспериментальный соленоид, 11 - основной сверхпроводящий соленоид, 12 - ступень ядерного размагничивания.


Криостаты адиабатич. размагничивания основаны на использовании магнитокалорического эффекта, заключающегося в изменении температуры Т магн. вещества при адиабатич. изменении напряжённости магн. ноля H. Для К. используют обычно парамагнитные спиновые системы, адиабатич. размагничивание к-рых приводит к понижению Т. Процесс понижения температуры при адиабатич. размагничивании ограничивается областью T, при к-рой спиновая система переходит в магнитоупорядоченное состояние. С др. стороны, для макс. хладопроизводительности метода желательно иметь стартовые условия вблизи температурной аномалии теплоёмкости системы, возникающей при равенстве тепловой и магн. энергий. Эти два требования определяют выбор хладагентов для К. адиабатич. размагничивания. В области стартовых температур 1000-100 мК используются парамагн. соли (напр., церий-магниевый нитрат позволяет получить температуру до 2мК). В области стартовых температур 100-10 мК применяются ванфлековские парамагнетики, эффективный магн. момент к-рых варьируется в широком диапазоне - от электронного до ядерного. Используя PrNi5, удаётся получить температуру до 0,5 мК. При более низких стартовых темп-pax и применении мощных сверхпроводящих соленоидов удаётся использовать эффект адиабатич. размагничивания ядерных спиновых систем.

К. размагничивания могут включаться последовательно. Так, в двухступенчатых К. размагничивания, когда первая массивная ступень из меди либо из PrNi5 при размагничивании охлаждает вторую медную ступень, после размагничивания последней удаётся получить температуру ядер меди 2531-124.jpg10 нК. При этом темп-pa кристаллич. решётки меди и электронов проводимости составляет 2531-125.jpg10 мкК.

На рис. 4 показана принципиальная схема К. ядерного размагничивания меди. Ядерная ступень, помещённая в поле. 2531-126.jpg80 кЭ, охлаждается мощным К. растворения до Т2531-127.jpg10 мК. Затем размыкается сверхпроводящий тепловой ключ и осуществляется размагничивание (в течение 2-10 ч). За это время в системе успевает установиться тепловое равновесие и охладиться экспериментальная камера. Т. о. удаётся охладить камеру, содержащую сверхтекучий 3Не, до Т2531-128.jpg100 мкК.

Литература по криостатам

  1. Справочник по физико-техническим основам криогеники, под ред. М. П. Малкова, 3 изд., М., 1985;
  2. Растворы квантовых жидкостей, М., 1973;
  3. Лоунасмаа О. В., Принципы и методы получения температуры ниже 1 К, пер. с англ., М., 1977.

Ю. М. Буньков

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 26.06.2019 - 11:49: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
25.06.2019 - 09:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Пешехонова - Карим_Хайдаров.
24.06.2019 - 17:51: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Кирилла Мямлина - Карим_Хайдаров.
24.06.2019 - 08:10: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров.
24.06.2019 - 08:01: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
24.06.2019 - 07:59: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Проблема народного образования - Карим_Хайдаров.
24.06.2019 - 01:25: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
24.06.2019 - 01:20: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от О.Н. Четвериковой - Карим_Хайдаров.
21.06.2019 - 15:02: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
21.06.2019 - 08:47: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
18.06.2019 - 20:21: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Декларация Академической Свободы - Карим_Хайдаров.
17.06.2019 - 06:12: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution