НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
(криогенные температуры), обычно темп-ры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (ок. 80 К). Согласно рекомендации, принятой 13-м конгрессом Междунар. ин-та холода (1971), криогенными темп-рами следует называть темп-ры ниже 120 К.
Получение Н. т.
Для получения и поддержания Н. т. обычно используют сжиженные газы (хладагенты). В сосуде Дьюара, содержащем сжиженный газ, испаряющийся под атм. давлением, достаточно хорошо поддерживается пост. темп-pa Тн кипения хладагента. Практически применяют след. хладагенты: воздух (Тн»80 К), азот (Tн=77,4 К), неон (Tн=27,1 К), водород (Tн=20,4 К), гелий (Тн=4,2 К). Для получения жидких газов служат спец. установки — ожижители, в к-рых сильно сжатый газ при расширении до обычного давления охлаждается и конденсируется (см. ДЖОУЛЯ — ТОМСОНА ЭФФЕКТ).
Откачивая испаряющийся газ из герметизиров. сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью и тем самым понижать темп-ру её кипения. Естеств. или принудит. конвекция и хорошая теплопроводность хладагента обеспечивают при этом однородность темп-ры во всём объёме жидкости. Таким путём удаётся перекрыть широкий диапазон темп-р: от 77 до 63 К при помощи жидкого азота, от 27 до 24 К — жидкого неона, от 20 до 14 К — жидкого водорода, от 4,2 до 1 К — жидкого гелия. Методом откачки нельзя получить темп-ру ниже тройной точки хладагента. При более низких темп-pax в-во затвердевает и теряет свои качества хладагента. Промежуточные темп-ры, лежащие между указанными выше интервалами, достигаются спец. методами. Охлаждаемый объект теплоизолируют от хладагента, помещая его, напр., внутрь вакуумной камеры, погружённой в сжиженный газ. При небольшом контролируемом выделении теплоты в камере (в ней имеется электрич. нагреватель) темп-ра исследуемого объекта повышается по сравнению с темп-рой кипения хладагента и может поддерживаться с высокой стабильностью на требуемом уровне. В др. способе получения промежуточных темп-р охлаждаемый образец помещают над поверхностью испаряющегося хладагента и регулируют скорость испарения жидкости нагревателем. Отвод теплоты от исследуемого объекта здесь осуществляет поток испаряющегося газа. Применяется также метод охлаждения, при к-ром холодный газ, получаемый при испарении хладагента, прогоняется через теплообменник, находящийся в тепловом контакте с охлаждаемым объектом.
Гелий при атм. давлении остаётся жидким вплоть до абс. нуля темп-ры (см. ГЕЛИЙ ЖИДКИЙ). Однако при откачке паров жидкого 4Не (природного изотопа гелия) обычно не удаётся получить темп-ру существенно ниже 1 К, даже применяя очень мощные насосы (этому мешают чрезвычайно малая упругость насыщенных паров 4Не и его сверхтекучесть). Откачкой паров изотопа 3Не (TN=3,2 К) удаётся достичь темп-р =0,ЗК. Область темп-р ниже 0,3 К наз. сверхнизкими температурами. Методом адиабатич. размагничивания парамагн. солей (см. МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ) удаётся достичь темп-р =10-3 К. Тем же методом с использованием яд. парамагнетизма в системе ат. ядер были достигнуты темп-ры =10-6 К. Принципиальную проблему в методе адиабатич. размагничивания (как, впрочем, и в др. методах получения Н. т.) составляет осуществление хорошего теплового контакта между объектом, к-рый охлаждают, и охлаждающей системой. Особенно это трудно достижимо в случае системы ат. ядер. Совокупность ядер атомов можно охладить до сверхнизких темп-р, но добиться такой же степени охлаждения в-ва, содержащего эти ядра, не удаётся.
Для получения темп-р порядка неск. мК широко пользуются более удобным методом — растворением жидкого 3Не в жидком 4Не. Применяют для этой цели рефрижераторы растворения (рис.).
а. Схема действия рефрижератора растворения 3Не в 4Не: пары 3Не откачиваются диффузионным насосом 1 и подаются затем ротац. насосом 2 к камере растворения 8; 3 и 4 — ванны с жидким азотом и жидким гелием. Перед капилляром 5 пары 3Не конденсируются. Жидкий 3Не, дополнительно охлаждённый в теплообменнике 7, поступает в камеру 8. Отсюда атомы диффундируют сквозь раствор 3Не в 4Не в камеру испарения 6, и цикл повторяется. Обозначения: Т — темп-pa, р — давление, v — концентрация 3Не, q — производительность системы откачки, б. Осн. низкотемпературная часть рефрижератора растворения: 1 и 2 — трубы откачки 3Не и 4Не; а — камера испарения; 4 — камера растворения; 5 — блоки теплообменников. растворения.
Их действие основано на том, что 3Не сохраняет конечную растворимость (ок. 6%) в жидком 4Не вплоть до абс. нуля темп-ры. Поэтому при соприкосновении почти чистого жидкого 3Не с разбавленным раствором 3Не в 4Не атомы 3Не будут переходить в раствор. При этом поглощается теплота растворения и темп-pa раствора понижается. Растворение осуществляется в одном месте прибора (в камере растворения), а удаление атомов 3Не из раствора путём откачки — в другом (в камере испарения). При непрерывной циркуляции 3Не, осуществляемой системой насосов и теплообменников, можно поддерживать в камере растворения темп-ру 10—30 мК неограниченно долго. Гелий 3Не можно охладить ещё сильнее, используя Померанчука эффект. Жидкий 3Не затвердевает при давлениях более 3•106 Па. В области темп-р ниже 0,3 К увеличение давления (в пределе до 3,4•106 Па) сопровождается поглощением теплоты и понижением темп-ры равновесной смеси жидкой и тв. фаз (затвердевание идёт с поглощением теплоты). Этим методом были достигнуты темп-ры =1—2 мК. растворения (рис.).Измерение Н. т. растворения
.Первичным термометрич. прибором для измерения термодинамич. темп-ры вплоть до 1 К служит газовый термометр. Др. вариантами первичного термометра явл. акустич. и шумовой термометры, действие к-рых основано на связи термодинамич. темп-ры соответственно со значением скорости звука в газе и интенсивностью тепловых флуктуации напряжения в электрич. цепи. Первичные прецизионные термометры используются в осн. для определения темп-р легко воспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (т. н. р е п е р н ы х т о ч е к), к-рые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы (МПТШ-68). растворения.
Для измерения темп-ры от 630,74°С до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью =0,001 К служит платиновый термометр сопротивления. МПТШ-68 пока не продлена ниже 13,8 К ввиду отсутствия в этой области Н. т. вторичного термометра, не уступающего по чувствительности, точности и воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления при более высоких темп-pax. В диапазоне 0,3—5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщенных паров ps гелия от темп-ры Т, устанавливаемой газовым термометром. Эта зависимость была принята в качестве междунар. температурной шкалы в области 1,5—5,2 К (шкала 4Не, 1958) и 0,3—3,3 К (шкала 3Не, 1962). Зависимость ps(Т) в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитич. ф-лой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения темп-ры до тысячной доли Кельвина.
В области Н. т. для целей практич. термометрии применяют гл. обр. термометры сопротивления (до 20 К — медный; в области водородных и гелиевых темп-р — вплоть до 1 мК — угольные, сопротивление к-рых возрастает при понижении темп-ры). Для измерения темп-ры ниже 100 К применяют также термометры сопротивления из чистого германия. растворения.
Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения термодинамич. темп-ры в этой области используют методы магнитной термометрии и яд. методы. В основе яд. методов измерения Н. т. лежит принцип квант. статистич. физики, согласно к-рому равновесная заселённость дискр. уровней энергии системы зависит от темп-ры. В одном из таких методов измеряются интенсивности линий ядерного магнитного резонанса, определяемые разностью заселённостей уровней энергии ядер в магн. поле. В др. методе определяется зависящее от темп-ры отношение интенсивностей компонентов, на к-рые расщепляется линия резонансного гамма-излучения (см. МЁССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ) во внутр. магн. поле ферромагнетика. растворения.
Аналогом термометрии по давлению насыщенных паров в области сверхнизких темп-р явл. измерение темп-ры в диапазоне 30—100 мК по осмотич. давлению 3Не в смеси 3Не — 4Не. Абс. точность измерений — ок. 2 мК при чувствительности осмотич. термометра =0,01 мК. растворения.
Физика Н. т. растворения.
Применение Н. т. сыграло важную роль в изучении конденсиров. состояния в-ва. Особенно много новых фактов и закономерностей было открыто при изучении св-в разл. в-в при гелиевых темп-pax. Это привело к развитию спец. раздела физики — физики Н. т. При понижении темп-ры в св-вах в-в начинают проявляться особенности, связанные с наличием вз-ствий, к-рые при обычных темп-pax вуалируются тепловым движением атомов. растворения.
Благодаря значит. подавлению теплового движения атомов при Н. т. удалось обнаружить большое число макроскопич. явлений, имеющих квант. природу: существование гелия в жидком состоянии вплоть до абс. нуля темп-ры (0К), явления сверхтекучести, сверхпроводимости и др. При Н. т. состояние тв. тела можно рассматривать как упорядоченное состояние, соответствующее 0К, но с учётом влияния «газа» элем. возбуждений — квазичастиц. Введение разл. типов квазичастиц (фононы, дырки, магноны и др.) позволяет описать многообразие св-в в-в при Н. т. Термодинамич. св-ва газа квазичастиц определяют наблюдаемые макроскопич. равновесные св-ва в-ва. В свою очередь, методы статистич. физики позволяют вычислить св-ва газа квазичастиц из характера связи их энергии и импульса (дисперсии закона), устанавливаемого на базе изучения теплоёмкости, теплопроводности и др. тепловых и кинетич. св-в тв. тел при Н. т. На основе закона дисперсии магнонов удалось объяснить температурную зависимость намагниченности ферро- и антиферромагнетиков. Установление закона дисперсии эл-нов в металлах позволило объяснить ряд низкотемпературных св-в металлов (см. ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, ДЕ ХААЗА — ВАН АЛЬФЕНА ЭФФЕКТ, ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС). Н. т. широко применяются при изучении разл. видов магнитного резонанса, св-в полупроводников, мол. кристаллов и во мн. др. случаях. растворения.
Охлаждение до сверхнизких темп-р применяется в яд. физике, напр. для создания мишеней и источников с яоляризов. ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц. растворения.
Технические применения Н. т. растворения.
Одна из гл. областей применения Н. т. в технике — разделение газов. Производство кислорода и азота в больших кол-вах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификац. колоннах. Н. т. используют для получения высокого вакуума методом адсорбции на активированном угле или цеолите (адсорбционный насос) или непосредственно конденсации на металлич. стенках сосуда с хладагентом (крионасос). Охлаждение до темп-р жидкого воздуха или азота находит применение в медицине (лечение мозговых опухолей, кожных, урологич. и др. заболеваний, консервация живых тканей). Широко применяются Н. т. в электронике и радиотехнике для подавления аппаратурных шумов. Др. направление технич. применения Н. т. связано с использованием сверхпроводимости. Здесь наиболее важную роль играет создание сильных магн. полей (=102 кЭ), необходимых для ускорителей заряженных частиц, трековых приборов (пузырьковая камера и др.), магнитогидродинамических генераторов и многообразных лабораторных исследований (см. МАГНИТ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ, СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТОМЕТР).
Физический энциклопедический словарь