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.
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 Q. Большая хладопроизводительность этого метола связана также с тем, что при
Т
0
растворимость 3Не в 4Не остаётся конечной н равной
6%
для насыщенного раствора. В этом случае при растворении 1 моля 3Не
поглощается кол-во теплоты
Q=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 Т
(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 (
,
м2), скоростью циркуляции 3Не (
,
моль/с) и притоком теплоты к камере растворения (
,
Вт):
где Rк-
УД- сопротивление Капицы (10-2
м2К/Вт).
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 250
м2 в К. растворения получена температура 2 мК. К. растворения с циркуляцией
10-3
моль/с и хладопроизводительностью
100/T4
Вт (при Т
6-30
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
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 Т
1
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.
Рис. 3. Принципиальная
схема кристаллизационного криостата 3Не: 1 - рефрижератор
предварительного охлаждения, 2 - тепловой ключ, 3 - хладопровод,
4 - компрессионная камера, 5 - пресс с 4Не.
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 10
нК. При этом темп-pa кристаллич. решётки меди и электронов проводимости составляет
10 мкК.
На рис. 4 показана принципиальная
схема К. ядерного размагничивания меди. Ядерная ступень, помещённая в поле.
80 кЭ,
охлаждается мощным К. растворения до Т
10
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 Т
100
мкК.
Ю. М. Буньков
Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.
Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").
Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.
Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.
Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
|
![]() |