Низкие температуры

Ни́зкие температуры

Криогенные температуры, обычно температуры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (около 80 К). Такие температуры принято отсчитывать от абсолютного нуля (См. Абсолютный нуль) температуры (—273,15 °С, или 0 К) и выражать в кельвинах (К). На 13-м конгрессе Международного института холода в 1971 была принята рекомендация, согласно которой криогенными температурами следует называть температуры ниже 120 К. Однако эта рекомендация ещё не получила широкого распространения; в данной статье рассматриваются Н. т. с верхней границей ~ 80 К.

Получение низких температур. Для получения и поддержания Н. т. обычно используют сжиженные газы. В сосуде Дьюара, содержащем сжиженный газ, испаряющийся под атмосферным давлением, достаточно хорошо поддерживается постоянная температура нормального кипения T_n хладоагента. Практически применяют следующие хладоагенты (сжиженные газы): воздух (T_N = 80 К), азот (T_n = 77,4 К), неон (T_N = 27,1 К), водород (T_N = 20,4 К), гелий (T_N = 4,2 К). Для получения жидких газов служат специальные установки — ожижители, в которых сильно сжатый газ при расширении до обычного давления охлаждается и конденсируется (см. Сжижение газов, Джоуля — Томсона эффект). Сжиженные газы могут сохраняться достаточно долго в Дьюара сосудах (См. Дьюара сосуды) и Криостатах с хорошей теплоизоляцией (порошковые и пористые теплоизоляторы, например пенопласты).

Откачивая испаряющийся газ из герметизированного сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью и тем самым понижать температуру её кипения. Т. о., изменением давления паров над кипящей жидкостью можно регулировать ёё температуру. Естественная или принудительная конвекция и хорошая теплопроводность хладоагента обеспечивают при этом однородность температуры во всём объёме жидкости. Таким путём удаётся перекрыть широкий диапазон температур: от 77 К до 63 К с помощью жидкого азота, от 27 К до 24 К — жидкого неона, от 20 К до 14 К — жидкого водорода, от 4,2 К до 1 К — жидкого гелия. Методом откачки нельзя получить температуру ниже тройной точки (См. Тройная точка) хладоагента. При более низких температурах вещество затвердевает и теряет свои качества хладоагента. Промежуточные температуры, лежащие между указанными выше интервалами, достигаются в специальных криостатах. Охлаждаемый объект теплоизолируют от хладоагента, например, помещают его внутрь вакуумной камеры, погруженной в сжиженный газ. При небольшом контролируемом выделении теплоты в камере (в ней имеется электрический нагреватель) температура исследуемого объекта повышается по сравнению с температурой кипения хладоагента и может поддерживаться с высокой стабильностью на требуемом уровне. В др. способе получения промежуточных температур охлаждаемый образец помещают над поверхностью испаряющегося хладоагента и регулируют скорость испарения жидкости нагревателем. Отвод теплоты от исследуемого объекта здесь осуществляет поток откачиваемого газа. Применяется также метод охлаждения, при котором холодный газ, получаемый при испарении хладоагента, прогоняется через теплообменник (обычно медная трубка, свитая в спираль, или блок пористой меди), находящийся в тепловом контакте с охлаждаемым объектом.

Гелий при атмосферном давлении остаётся жидким вплоть до абсолютного нуля температуры. Однако при откачке паров жидкого ⁴He обычно не удаётся получить температуру существенно ниже 1 К даже с помощью очень мощных насосов (этому мешают чрезвычайно малая упругость насыщенных паров ⁴He и его Сверхтекучесть). Поэтому для достижения температур порядка десятых долей Кельвина употребляют изотоп гелия ³He (T_n = 3,2 К), который не является сверхтекучим при данных температурах. Откачивая испаряющийся ³He, удаётся понизить температуру жидкости до 0,3 К. Область температур ниже 0,3 К принято называть сверхнизкими температурами. Для получения таких температур применяются различные методы. Методом адиабатического размагничивания (магнитного охлаждения (См. Магнитное охлаждение)) с применением парамагнитной соли в качестве охлаждающей системы удаётся достичь Н. т. ~ 10^-3 К. Тем же методом с использованием парамагнетизма атомных ядер были достигнуты Н. т. ~ 10^-6 К. Принципиальную проблему в методе адиабатического размагничивания (как, впрочем, и в др. методах получения Н. т.) составляет осуществление хорошего теплового контакта между объектом, который охлаждают, и охлаждающей системой. Особенно это трудно достижимо в случае системы атомных ядер. Совокупность ядер атомов можно охладить до сверхнизких температур, но добиться такой же степени охлаждения вещества, содержащего эти ядра, не удаётся.

Для получения температур порядка нескольких мК теперь широко пользуются более удобным методом — растворением жидкого ³He в жидком ⁴He. Применяемая для этой цели установка называется рефрижератором растворения (рис. 1). Действие рефрижераторов растворения основано на том, что ³He сохраняет конечную растворимость (около 6%) в жидком ⁴He вплоть до абсолютного нуля температуры. Поэтому при соприкосновении почти чистого жидкого ³He с разбавленным раствором ³He в ⁴He атомы ³He будут переходить в раствор. При этом поглощается теплота растворения, и температура раствора понижается. Растворение осуществляется в одном месте прибора (в камере растворения), а удаление атомов ³He из раствора путём откачки — в другом (в камере испарения). При непрерывной циркуляции ³He, осуществляемой системой насосов и теплообменников, можно поддерживать в камере растворения температуру ~ 10—30 мК. неограниченно долго. Холодопроизводительность таких рефрижераторов определяется производительностью насосов, а предельно достижимая Н. т. (несколько мК) — эффективностью теплообменников и устранением паразитного притока теплоты. Гелий ³He можно охладить ещё сильнее, используя Померанчука эффект. Жидкий ³He затвердевает при давлениях более 30 бар. В области температур ниже 0,3 К увеличение давления (в пределе до 34 бар) сопровождается поглощением теплоты и понижением температуры равновесной смеси жидкой и твёрдой фаз (затвердевание идёт с поглощением теплоты). Таким путём были достигнуты температуры ~1—2 мК.

Измерение низких температур. Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит Газовый термометр. Др. вариантами первичного термометра являются акустический и шумовой термометры, действие которых основано на связи термодинамической температуры соответственно со значением скорости звука в газе и интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрической цепи. Первичные прецезионные термометры используются в основном для определения температур легко воспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (т. н. реперных точек), которые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы (См. Международная практическая температурная шкала) (МПТШ-68). В области Н. т. такими реперными точками являются: тройная точка равновесного водорода (13, 81 К), точка равновесия между жидкой и газообразной фазами равновесного водорода при давлении 25/76 нормальной атмосферы (См. Атмосфера) (17,042 К), точка кипения T_N равновесного водорода (20,28 К), T_N неона (27,102 К), тройная точка кислорода (54,361 К), T_N кислорода (90,188 К).

Для воспроизведения любого значения температуры от 630,74 °С до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью ~ 0,001 К служит платиновый Термометр сопротивления. В диапазоне Н. т. температура по МПТШ-68 отличается от истинного термодинамического значения не более чем на 0,01 К. 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 температурах. В диапазоне 0,3—5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщенных паров p_s гелия от температуры Т, устанавливаемой с помощью газового термометра. Эта зависимость была принята в качестве международной температурной шкалы в области 1,5—5,2 К (шкала ⁴He, 1958) и 0,3—3,3 К (шкала ³He, 1962). Зависимость p_s (T) в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитической формулой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения температуры до тысячной доли Кельвина.

В области Н. т. для целей практической термометрии применяют главным образом термометры сопротивления (до 20 К — медный; в области водородных и гелиевых температур — вплоть до 1 мК — угольные, сопротивление которых возрастает при понижении температуры). Применяют также термометры сопротивления из чистого германия. Высокая стабильность и достаточная чувствительность делают их удобным инструментом измерения температуры ниже 100 К.

Существует ряд др. чувствительных к изменениям температуры устройств, которые могут быть использованы в качестве вторичных термометров для измерения Н. т.: термопары (См. Термопара), Термисторы, полупроводниковые диоды (См. Полупроводниковый диод), датчики из сверхпроводящих сплавов (в области гелиевых и водородных температур).

Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения термодинамической температуры в этой области используют магнитные и ядерные методы. В магнитной термометрии (См. Магнитная термометрия) пользуются понятием магнитной температуры Т*, которую определяют из измерений магнитной восприимчивости (См. Магнитная восприимчивость) χ парамагнитной соли. Согласно Кюри закону, при достаточно высоких температурах χ ~ 1/T*. Для многих солей закон Кюри справедлив и при гелиевых температурах. Экстраполируя эту закономерность в область сверхнизких температур, определяют магнитную температуру как величину, обратно пропорциональную восприимчивости. Для получения точных результатов необходимо учитывать различные побочные факторы: анизотропию восприимчивости, геометрическую форму образца и др. Область температур, в которой магнитная температурная шкала достаточно близка к термодинамической, зависит от конкретной соли. Наиболее широко для измерения сверхнизких температур до 6 мК применяют церий-магниевый нитрат, для которого расхождение шкал при указанной температуре меньше 0,1 мК. В основе ядерных методов измерения Н. т. лежит принцип квантовой статистической физики, согласно которому равновесная заселенность дискретных уровней энергии (См. Уровни энергии) системы зависит от температуры. В одном из таких методов измеряется интенсивность линии ядерного магнитного резонанса (См. Ядерный магнитный резонанс), определяемая разностью заселённости уровней ядерных магнитных моментов в магнитном поле. В др. методе определяется зависящее от температуры отношение интенсивностей компонент, на которые расщепляется линия резонансного гамма-излучения (Мёссбауэра эффект) во внутреннем магнитном поле ферромагнетика.

Аналогом термометрии по давлению насыщенных паров в области сверхнизких температур является измерение температуры в диапазоне 30—100 мК по осмотическому давлению (См. Осмотическое давление) ³He в смеси ³He — ⁴He. Абсолютная точность измерений — около 2 мК при чувствительности осмотического термометра 0,01 мК.

Физика низких температур. Применение Н. т. сыграло решающую роль в изучении конденсированного состояния. Особенно много новых и принципиальных фактов и закономерностей было открыто при изучении свойств различных веществ при гелиевых температурах. Это привело к развитию специального раздела физики — физики Н. т. При понижении температуры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, которые при обычных температурах подавляются сильным тепловым движением атомов. Новые закономерности, обнаруженные при Н. т., могут быть последовательно объяснены только на основе квантовой механики (См. Квантовая механика). В частности, принцип неопределённости квантовой механики и вытекающее из него существование нулевых колебаний при абсолютном нуле температуры объясняют тот факт, что гелий остаётся в жидком состоянии вплоть до 0 К (см. Квантовая жидкость). Наиболее ярко квантовые закономерности проявляются при Н. т. в явлениях сверхтекучести (См. Сверхтекучесть) и сверхпроводимости (См. Сверхпроводимость). Изучение этих явлений составляет важную часть физики Н. т. С 60-х гг. 20 в. открыт ряд интересных эффектов, в которых особое значение имеет пространственная когерентность волновых функций на макроскопических расстояниях (сверхпроводящее туннелирование, Джозефсона эффект). Большое значение имеет изучение свойств жидкого ³He, который представляет собой пример нейтральной квантовой ферми-жидкости. Как теперь выяснено, при температурах около 3 мК и давлении около 34 бар ³He претерпевает фазовое превращение, сопровождающееся значительным уменьшением вязкости (переходит в сверхтекучее состояние).

Развитие физики Н. т. в значительной степени способствовало созданию квантовой теории твёрдого тела (См. Твёрдое тело), в частности общей теоретической схемы, согласно которой состояние вещества при Н. т. может рассматриваться как суперпозиция идеально упорядоченного состояния, соответствующего 0 К, и газа элементарных возбуждений — квазичастиц (См. Квазичастицы). Введение различных типов квазичастиц (Фононы, дырки (См. Дырка), Магноны и др.) позволяет описать многообразие свойств веществ при Н. т. Термодинамические свойства газа элементарных возбуждений определяют наблюдаемые макроскопические равновесные свойства вещества. В свою очередь, методы статистической физики позволяют предсказать свойства газа возбуждений из характера связи энергии и импульса квазичастиц (закона дисперсии). Изучение теплоёмкости, теплопроводности и др. тепловых и кинетических свойств твёрдых тел при Н. т. даёт возможность установить закон дисперсии для фононов и др. квазичастиц. Температурная зависимость намагниченности ферро- и антиферромагнетиков объясняется в рамках закона дисперсии магнонов (спиновых волн (См. Спиновые волны)). Изучение закона дисперсии электронов в металлах составляет ещё один важный раздел физики Н. т. Ослабление тепловых колебаний решётки при гелиевых температурах и применение чистых веществ позволили выяснить особенности поведения электронов в металлах (см. Гальваномагнитные явления, Де Хааза — ван Альфена эффект, Циклотронный резонанс). Применение Н. т. играет большую роль при изучении различных видов магнитного резонанса (См. Магнитный резонанс).

Охлаждение до сверхнизких температур применяется в ядерной физике (См. Ядерная физика) для создания мишеней и источников с поляризованными ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц. Такие источники позволили, в частности, поставить решающие эксперименты по проблеме несохранения чётности (См. Чётность). Н. т. применяются при изучении полупроводников, оптических свойств молекулярных кристаллов и во многих др. случаях.

Технические приложения низких температур. Одна из главных областей применения Н. т. в технике — разделение газов. Производство кислорода и азота в больших количествах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификационных колоннах на азот и кислород. Применение жидких кислорода и азота многообразно, в частности кислород служит окислителем в ракетном топливе. Н. т. используют для получения высокого Вакуума методом адсорбции на активированном угле или цеолите (Адсорбционный насос) или непосредственной конденсации на металлических стенках сосуда с хладоагентом (крионасос; рис. 2а, б). Высокий вакуум и охлаждение до Н. т. позволяют имитировать условия, характерные для космического пространства, и проводить испытания материалов и приборов в этих условиях. Охлаждение до температур жидкого воздуха или азота начало находить важные применения в медицине. Используя приборы, способные производить локальное замораживание тканей до Н. т., осуществляют оперативное лечение мозговых опухолей, урологических и др. заболеваний. Имеется также возможность длительного хранения живых тканей при Н. т.

Др. направление технических применений Н. т. связано с приложениями сверхпроводимости. Здесь наиболее важную роль играет создание сильных магнитных полей (См. Магнитное поле) (~ 10³ кэ), необходимых для ускорителей заряженных частиц, трековых приборов (См. Трековые приборы) (пузырьковых камер и др.), магнитогидродинамических генераторов и многообразных лабораторных исследований (см. Магнит сверхпроводящий). На основе явления сверхпроводящего туннелирования разработаны сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства, способные измерять чрезвычайно слабые электрические напряжения (~ 10^-14 в), а также регистрировать очень малые изменения магнитного поля (~ 10^-11 э). Н. т. играют также большую роль в квантовой электронике (См. Квантовая электроника).

Лит.: Физика низких температур, пер. с англ. под общ. ред. А. И. Шальникова, М., 1959; Уайт Г. К., Экспериментальная техника в физике низких температур, пер. с англ., М., 1961; Земанский М., Температуры очень низкие и очень высокие, пер. с англ., М., 1968; Роуз-Инс А., Техника низкотемпературного эксперимента, пер. с англ., М., 1966; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; Линтон Э., Сверхпроводимость, пер. с англ., 2 изд., М., 1971; Пегаков В. П., Свойства He³ и его растворов в He⁴, «Успехи физических наук», 1968, т. 94, в. 4, с. 607; Справочник по физикотехническим основам криогеники, под общ. ред. М. П. Малкова, 2 изд., М;, 1973; Progress in low temperature physics, ed. by C. J. Gorter, v. 6, Amst., 1970.

И. П. Крылов.

Рис. 1. а — схема, объясняющая действие рефрижератора растворения ³He в ⁴He: пары ³He откачиваются диффузионным насосом 1 и подаются затем ротационным насосом 2 к камере растворения 8, предварительно они охлаждаются в ванне с жидким азотом 3 и в ванне с жидким гелием 4. Перед капилляром 5 пары 3He конденсируются. Жидкий гелий ³He, дополнительно охлажденный в теплообменнике 7, поступает в камеру 8. Отсюда атомы диффундируют сквозь раствор ³He в ⁴He в камеру испарения 6, и цикл повторяется. Обозначения: Т — температура, р — давление, ν — концентрация ³He, ϑ — производительность системы откачки. б — основная низкотемпературная часть рефрижератора растворения: 1 и 2 — трубы откачки ³He и ⁴He; 3 — камера испарения; 4 — камера растворения; 5 — блоки теплообменников.

Рис. 2б — схема, объясняющая действие крионасоса: в корпусе 1 расположены тепловые экраны 2 и 3, имеющие температуру жидкого азота (77 К), они защищают от внешнего теплового воздействия резервуар 4 с жидким гелием. Пары гелия откачиваются через систему регулировки давления 5 насосом 6. За счёт этого температура в резервуаре 4 понижается и молекулы газов в рабочем объёме вымораживаются; 7 — насос, осуществляющий предварительное вакуумирование; 8 и 9 — датчики уровней жидких азота и гелия; 10 — электронная система автоматической регулировки и управления; 11 — внешняя оболочка, которая подогревается, чтобы прибор не покрывался инеем при работе.

Рис. 2а — внешний вид крионасоса и откачиваемого рабочего объёма: 1 — корпус крионасоса; 2 — рабочий объём; 3 — электронная система управления и регулировки; 4 — сосуд с жидким азотом и 5 — с жидким гелием.