НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ криогенные
температуры, обычно темп-ры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха
(около 80 К). Такие темп-ры принято отсчитывать от абсолютного нуля
темп-ры
(-273,15 ⁰C, или О К) и выражать в Кельвинах (К). На 13-м конгрессе
Междунар. института холода в 1971 была принята рекомендация, согласно к-рой
криогенными темп-рами следует называть темп-ры ниже 120 К. Однако эта рекомендация
ещё не получила широкого распространения; в данной статье рассматриваются
H. т. с верхней границей 80 К.



Получение низких температур.
Для
получения и поддержания H. т. обычно используют сжиженные газы. В сосуде
Дьюара, содержащем сжиженный газ, испаряющийся под атмосферным давлением,
достаточно хорошо поддерживается постоянная темп-pa нормального кипения
TN
хладоагента.
Практически применяют следующие хладоагенты (сжиженные газы): воздух (T= 80 К), азот (T= 77,4 К), неон (T= 27,1 К), водород (T= 20,4 К), гелий (Т= 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. Сжижение газов, Джоуля-Томсона эффект). Сжиженные
газы могут сохраняться достаточно долго в Дьюара сосудах и крыостатах
с хорошей теплоизоляцией (порошковые и пористые теплоизоляторы, напр,
пенопласты).

Откачивая испаряющийся газ
из герметизированного сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью и
тем самым понижать темп-ру её кипения. T. о., изменением давления паров
над кипящей жидкостью можно регулировать её темп-ру. Естественная или принудительная
конвекция и хорошая теплопроводность хладоагента обеспечивают при этом
однородность темп-ры во всём объёме жидкости. Таким путём удаётся перекрыть
широкий диапазон темп-р: 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 темп-ру ниже тройной
точки хладоагента. При более низких темп-pax вещество затвердевает
и теряет свои качества хладоагента. Промежуточные темп-ры, лежащие между
указанными выше интервалами, достигаются в спец. криостатах. Охлаждаемый
объект теплоизолируют от хладоагента, напр, помещают его внутрь вакуумной
камеры, погружённой
в сжиженный газ. При небольшом контролируемом выделении теплоты в камере
(в ней имеется электрич. нагреватель) темп-pa исследуемого объекта повышается
по сравнению с темп-рой кипения хладоагента и может поддерживаться с высокой
стабильностью на требуемом уровне. В др. способе получения промежуточных
темп-р 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 к-ром 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 абс. нуля темп-ры. Однако при откачке паров жидкого
⁴He
обычно не удаётся получить темп-ру существенно ниже 1 К даже с помощью
очень мощных насосов (этому мешают чрезвычайно малая упругость насыщенных
паров ⁴He и его сверхтекучесть). Поэтому для достижения
темп-р порядка десятых долей Кельвина употребляют изотоп гелия
³He
(T= 3,2 К), к-рый не является сверхтекучим при данных темп-pax. Откачивая
испаряющийся ³He, удаётся понизить темп-ру жидкости до 0,3 К.
Область темп-р ниже 0,3 К принято называть сверхнизкими темп-рами. Для
получения таких темп-р применяются различные методы. Методом адиабатического
размагничивания (магнитного охлаждения) с применением парамагнитной
соли в качестве охлаждающей системы удаётся достичь H. т. 10^-3К.
Тем же методом с использованием парамагнетизма атомных ядер были достигнуты
H. т. -10^-6 К. Принципиальную проблему в методе адиабатического
размагничивания (как, впрочем, и в др. методах получения H. т.) составляет
осуществление хорошего теплового контакта между объектом, к-рый охлаждают,
и охлаждающей системой. Особенно это трудно достижимо в случае системы
атомных 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 теперь широко пользуются более удобным методом - растворением
жидкого ³He в жидком ⁴He. Применяемая для этой цели
установка наз. рефрижератором растворения (рис. 1). Действие рефрижераторов
растворения основано на том, что ³Нe сохраняет конечную растворимость
(ок. 6%) в жидком ⁴He вплоть до абс. нуля темп-ры. 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 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 ³He, осуществляемой системой насосов
и теплообменников, можно поддерживать в камере растворения темп-ру 10-30
мК.
неограниченно
долго. Холодопроизводительность таких рефрижераторов опре-

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 охлаждённый в теплообменнике 7, поступает в камеру 8.
Отсюда
атомы диффундируют сквозь раствор ³He в ⁴He в камеру
испарения 6, и цикл повторяется. Обозначения: T - темп-ра,
P
- давление, - концентрация
³He,
9 - производительность системы откачки. б - основная низкотемпературная
часть рефрижератора растворения: / и 2 - трубы откачки
³He и
⁴He;
3
- камера испарения; 4 - камера растворения; 5 - блоки теплообменников.

деляется производительностью
насосов, а предельно достижимая H. т. (неск. MK.) - 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 темп-р ниже 0,3
К увеличение давления (в пределе до 34 бар) сопровождается поглощением
теплоты и понижением темп-ры равновесной смеси жидкой и твёрдой фаз (затвердевание
идёт с поглощением теплоты). Таким путём были достигнуты темп-ры 1-2 мК.



Измерение низких температур.
Первичным
термометрич. прибором для измерения термодинамич. температуры вплоть до
1 К служит газовый термометр. Др. вариантами первичного термометра
являются 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
прецезионные термометры используются в основном для определения темп-р
легко воспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (т.
н. реперных точе к), к-рые служат опорными температурными точками Международной
практической температурной шкалы (МПТШ-68). В области H. т. такими
реперными точками являются: тройная точка равновесного водорода (13, 81
К), точка равновесия между жидкой и газообразной фазами равновесноговодорода
при давлении 25/76 норм, атмосферы (17,042K), точка кипения T
равновесного водорода (20,28 К), Tнеона (27,102 К),
тройная точка кислорода (54,361 К), Tкислорода (90,188
К).

Для воспроизведения любого
значения темп-ры от 630,74 °С до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью 0,001
К служит платиновый термометр сопротивления. В диапазоне H. т. темп-pa
по МПТШ-68 отличается от истинного термодинамич. значения не более чем
на 0,01К. МПТШ-68 пока не продлена ниже 13,8 К ввиду отсутствия в этой
области H. 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 pгелия
от темп-ры T, устанавливаемой с помощью газового термометра. Эта
зависимость была принята в качестве междунар. температурной шкалы в области
1,5-5,2 К (шкала ⁴He, 1958) и 0,3-3,ЗК (шкала ³He,
1962). Зависимость рв этих температурных диапазонах
не может быть представлена простой аналитич. формулой и поэтому табулируется;
табличные данные обеспечивают точность определения темп-ры до тысячной
доли Кельвина.

В области H. т. для целей
практической 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).
Применяют также термометры сопротивления из чистого германия. Высокая стабильность
и достаточная чувствительность делают их удобным инструментом измерения
темп-ры ниже 100 К.

Существует ряд др. чувствительных
к изменениям темп-ры устройств, к-рые могут быть использованы в качестве
вторичных термометров для измерения H. т.: термопары, термисторы, полупроводниковые
диоды, датчики из сверхпрово-дящих сплавов (в области гелиевых и водородны
х темп-р ).

Ниже 1 К газовым термометром
пользоваться практически нельзя. Для определения термодинамич. темп-ры
в этой области используют магнитные и ядерные методы. В магнитной термометрии
пользуются
понятием магнитной темп-ры T*, к-рую определяют из измерений магнитной
восприимчивости парамагнитной
соли. Согласно Кюри закону, при достаточно высоких темп-рах
1/Т *. Для многих солей закон Кюри справедлив и при гелиевых темп-рах.
Экстраполируя эту закономерность в область сверхнизких темп-р, определяют
магнитную темп-ру как величину, обратно пропорциональную восприимчивости.
Для получения точных результатов необходимо учитывать различные побочные
факторы: анизотропию восприимчивости, гео-метрич. форму образца и др. Область
темп-р, в к-рой магнитная температурная шкала достаточно близка к термодинамической,
зависит от конкретной соли. Наиболее широко для измерения сверхнизких темп-р
до 6 мК применяют церий-магниевый нитрат, для к-рого расхождение
шкал при указанной темп-ре меньше 0,1 MK.. В основе ядерных методов
измерения H. т. лежит принцип квантовой статистической физики, согласно
к-рому равновесная заселённость
дискретных
уровней энергии системы зависит от темп-ры. В одном из
таких методов измеряется интенсивность линии ядерного магнитного резонанса,
определяемая
разностью заселенности уровней ядерных магнитных моментов в магнитном поле.
В др. методе определяется зависящее от темп-ры отношение интенсивностей
компонент, на к-рые расщепляется линия резонансного гамма-излучения
(Мессбауэра
эффект) во внутреннем магнитном поле ферромагнетика.

Аналогом термометрии по давлению
насыщенных паров в области сверхнизких темп-р является измерение темп-ры
в диапазоне 30-100 мК по осмотическому давлению ³He
в смеси ³He - ⁴He. Абс. точность измерений - ок.
2 мК. при чувствительности осмотич. термометра 0,01 MK..

Физика низких температур.
Применение H. 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 темп-pax. Это привело
к развитию спец. раздела физики - физики H. т. При понижении темп-ры в
свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием
взаимодействий, к-рые при обычных темп-рах подавляются сильным тепловым
движением атомов. Новые закономерности, обнаруженные при H. т., могут быть
последовательно объяснены только на основе квантовой механики. В
частности, принцип неопределённости квантовой механики и вытекающее из
него существование нулевых колебаний при абс. нуле темп-ры объясняют тот
факт, что гелий остаётся в жидком состоянии вплоть до О К (см. Квантовая
жидкость). Наиболее ярко квантовые закономерности проявляются при H.
т. в явлениях сверхтекучести и сверхпроводимости. Изучение
этих явлений составляет важную часть физики H. т. С 6Ox гг. 20 в.открыт
ряд интересных эффектов, в к-рых особое значение имеет пространственная
когерентность волновых функций на макроскопич. расстояниях (сверхпроводящее
туннелирование, Джозефсона эффект). Большое значение имеет изучение
свойств жидкого ³He, к-рый представляет собой пример нейтральной
квантовой ферми-жидкости. Как теперь выяснено, при темп-pax около 3 мК
и давлении около 34 бар ³He претерпевает фазовое превращение,
сопровождающееся значительным уменьшением вязкости (переходит в сверхтекучее
состояние).

Развитие физики H. т. в значительной
степени способствовало созданию квантовой теории твердого тела, в
частности общей теоретич. схемы, согласно к-рой состояние вещества при
H. т. может рассматриваться как суперпозиция идеально упорядоченного состояния,
соответствующего О К, и газа элементарных возбуждений - квазичастиц.
Введение
различных типов квазичастиц (фонолы, дырки, магноны и др.) позволяет
описать многообразие свойств веществ при H. т Термодинамич. свойства газа
элементарных возбуждений определяют наблюдаемые макроскопич. равновесные
свойства вещества. В свою очередь, методы ста-тистич. физики позволяют
предсказать свойства газа возбуждений из характера связи энергии и импульса
квазичастиц (закона дисперсии). Изучение теплоемкости, теплопроводности
и др. тепловых и кинетич. свойств твердых тел при H. т. дает возможность
установить закон дисперсии для фононов и др. квазичастиц. Темп-рная зависимость
намагниченности ферро- и антиферромагнетиков объясняется в рамках закона
дисперсии магнонов (спиновых волн). Изучение закона дисперсии электронов
в металлах составляет еще один важный раздел физики H. т. Ослабление тепловых
колебаний решетки при гелиевых темп-pax и применение чистых веществ позволили
выяснить особенности поведения электронов в металлах (см. Гальваномагнитные
явления, Де

Рис. 2 а-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 б -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 объеме 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.

Хааза-ван Алъфена эффект,
Цикла тронный резонанс) Применение H. т. играет большую роль при изучении
различных видов магнитного резонанса

Охлаждение до сверхнизких
темп-р применяется в ядерной физике 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 четности H т применяются при изучении полупроводников,
оптич свойств молекулярных кристаллов и во MH др. случаях.



Технические приложения
низких тем ператур. Одна из главных областей применения H. 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 H 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 2) Высокий
вакуум и охлаждение до H т. позволяют имитировать условия характерные для
космич. пространства, и проводить испытания материалов и приборов в этих
условиях. Охлаждение до темп-р жидкого воздуха или азота начало находить
важные применения в медицине. Используя приборы способные производить локальное
замораживание тканей до H. т. , осуществляют оперативное лечение мозговых
опухолей, урологических и др. заболеваний Имеется также возможность длительного
хранения живых тканей при H. т

Др направление технич применений
H. т .связано с приложениями сверхпроводимости .Здесь наиболее важную роль
играет создание сильных магнитные полей ( 10³ кэ), необходимых
для ускорителей заряженных частиц, трековых приборов (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
(10¹⁴ в), а также регистрировать очень малые изменения магнитного
поля (10-"э) H. т. играют также большую роль в квантовой электронике

Лит Физика низких
температур, пер с англ под общ ред А И Шальникова, M , 1959, У а и т Г
К , Экспериментальная техника в физике низких температур, пер с англ ,
M , 1961, Земанский M Температуры очень низкие и очень высокие пер с англ
, M , 1968, Роуз ИнсА Техника низкотемпературного эксперимента пер с англ
, M , 1966, МендельсонК На пути к абсолютному нулю, пер с англ M , 1971,
Л и н т о н Э , Сверхпроводимость пер с англ , 2 изд , M , 1971, П е ш
к о в В П , Свойства Не³ и его растворов в Не⁴, "Успехи
физических наук", 1968, т 94, в 4, с 607, Справочник по физико техническим
основам криогеники, под общ ред M П Малкова, 2 изд , M , 1973, Pro gress
in low temperature physics, ed by C J Gorter, v. 6, Amst , 1970

И П Крылов