Н і зкіе температ у ри, криогенні температури, зазвичай температури, що лежать нижче точки кипіння рідкого повітря (близько 80 К). Такі температури прийнято відраховувати від абсолютного нуля температури (-273,15 ° С, або 0 К) і висловлювати в кельвінах (К). На 13-му конгресі Міжнародного інституту холоду в 1971 була прийнята рекомендація, згідно з якою кріогенними температурами слід називати температури нижче 120 К. Однак ця рекомендація не отримала широкого поширення; в даній статті розглядаються Н. т. з верхньою межею ~ 80 К.
Отримання низьких температур. Для отримання і підтримки Н. т. Зазвичай використовують зріджені гази. У посудині Дьюара, що містить зріджений газ, що випаровується під атмосферним тиском, досить добре підтримується постійна температура нормального кипіння Tn хладоагента. Практично застосовують такі холодоагенти (зріджені гази): повітря (TN = 80 К), азот (Tn = 77,4 К), неон (TN = 27,1 К), водень (TN = 20,4 К), гелій (TN = 4,2 К). Для отримання рідких газів служать спеціальні установки - зріджувач, в яких сильно стиснений газ при розширенні до звичайного тиску охолоджується і конденсується (див. зріджування газів , Джоуля - Томсона ефект ). Зріджені гази можуть зберігатися досить довго в Дьюара судинах і кріостатах з хорошою теплоізоляцією (порошкові і пористі утеплювачі, наприклад пінопласти).
Відкачуючи випаровується газ з герметизованого судини, можна зменшувати тиск над рідиною і тим самим знижувати температуру її кипіння. Т. о., Зміною тиску парів над киплячою рідиною можна регулювати ЇЇ температуру. Природна або примусова конвекція і хороша теплопровідність хладоагента забезпечують при цьому однорідність температури в усьому об'ємі рідини. Таким шляхом вдається перекрити широкий діапазон температур: від 77 К до 63 К за допомогою рідкого азоту, від 27 К до 24 К - рідкого неону, від 20 К до 14 К - рідкого водню, від 4,2 К до 1 К - рідкого гелію . Методом відкачування можна отримати температуру нижче потрійний точки хладоагента. При більш низьких температурах речовину твердне і втрачає свої якості холодоагенту. Проміжні температури, що лежать між зазначеними вище інтервалами, досягаються в спеціальних кріостатах. Охолоджуваний об'єкт теплоизолируют від хладоагента, наприклад, поміщають його всередину вакуумної камери, зануреної в зріджений газ. При невеликому контрольованому виділення теплоти в камері (в ній є електричний нагрівач) температура досліджуваного об'єкта підвищується в порівнянні з температурою кипіння холодоагенту і може підтримуватися з високою стабільністю на необхідному рівні. В ін. Способі отримання проміжних температур охолоджуваний зразок поміщають над поверхнею випаровується хладоагента і регулюють швидкість випаровування рідини нагрівачем. Відведення теплоти від досліджуваного об'єкта тут здійснює потік відкачуваного газу. Застосовується також метод охолодження, при якому холодний газ, одержуваний при випаровуванні холодоагенту, проганяється через теплообмінник (зазвичай мідна трубка, звита в спіраль, або блок пористої міді), що знаходиться в тепловому контакті з охолоджуваних об'єктом.
Гелій при атмосферному тиску залишається рідким аж до абсолютного нуля температури. Однак при відкачці парів рідкого 4He зазвичай не вдається отримати температуру істотно нижче 1 К навіть за допомогою дуже потужних насосів (цьому заважають надзвичайно мала пружність насичених парів 4He і його надтекучість ). Тому для досягнення температур порядку десятих часток Кельвіна вживають ізотоп гелію 3He (Tn = 3,2 К), який не є надтекучим при даних температурах. Відкачуючи випаровується 3He, вдається знизити температуру рідини до 0,3 К. Область температур нижче 0,3 К прийнято називати наднизьких температур. Для отримання таких температур застосовуються різні методи. Методом адіабатичного розмагнічування ( магнітного охолодження ) Із застосуванням парамагнитной солі в якості охолоджуючої системи вдається досягти Н. т. ~ 10-3 К. Тим же методом з використанням парамагнетизм атомних ядер були досягнуті Н. т. ~ 10-6 К. Принципову проблему в методі адіабатичного розмагнічування (як, втім, і в ін. методах отримання Н. т.) становить здійснення хорошого теплового контакту між об'єктом, який охолоджують, і системою охолодження. Особливо це важко досягти в разі системи атомних ядер. Сукупність ядер атомів можна охолодити до наднизьких температур, але добитися такого ж ступеня охолодження речовини, що містить ці ядра, не вдається.
Для отримання температур порядку декількох м До тепер широко користуються більш зручним методом - шляхом розчинення рідкого 3He в рідкому 4He. Застосовувана для цієї мети установка називається рефрижератором розчинення (рис. 1). Дія рефрижераторів розчинення засноване на тому, що 3He зберігає кінцеву розчинність (близько 6%) в рідкому 4He аж до абсолютного нуля температури. Тому при зіткненні майже чистого рідкого 3He з розведеним розчином 3He в 4He атоми 3He будуть переходити в розчин. При цьому поглинається теплота розчинення, і температура розчину знижується. Розчинення здійснюється в одному місці приладу (в камері розчинення), а видалення атомів 3He з розчину шляхом відкачування - в іншому (в камері випаровування). При безперервної циркуляції 3He, здійснюваної системою насосів і теплообмінників, можна підтримувати в камері розчинення температуру ~ 10-30 м До. необмежено довго. Охолодження таких рефрижераторів визначається продуктивністю насосів, а гранично досяжна Н. т. (Кілька м К) - ефективністю теплообмінників і усуненням паразитного припливу теплоти. Гелій 3He можна охолодити ще сильніше, використовуючи Померанчука ефект . Рідкий 3He твердне при тисках понад 30 бар. В області температур нижче 0,3 До збільшення тиску (в межі до 34 бар) супроводжується поглинанням теплоти і зниженням температури рівноважної суміші рідкої і твердої фаз (затвердіння йде з поглинанням теплоти). Таким шляхом були досягнуті температури ~ 1-2 м До.
Вимірювання низьких температур. Первинним термометричною приладом для вимірювання термодинамічної температури аж до 1 До служить газовий термометр . Др. варіантами первинного термометра є акустичний і шумовий термометри, дія яких заснована на зв'язку термодинамічної температури відповідно зі значенням швидкості звуку в газі і інтенсивністю теплових флуктуацій напруги в електричному ланцюзі. Первинні прецезіонного термометри використовуються в основному для визначення температур легко відтворюваних фазових рівноваг в однокомпонентних системах (т. Н. Реперних точок), які служать опорними температурними точками Міжнародній практичній температурної шкали (МПТШ-68). В області Н. т. Такими крапками реперів є: потрійна точка рівноважного водню (13, 81 До), точка рівноваги між рідкої і газоподібної фазами рівноважного водню при тиску 25/76 нормальної атмосфери (17,042 До), точка кипіння TN рівноважного водню (20,28 К), TN неону (27,102 До), потрійна точка кисню (54,361 До), TN кисню (90,188 До).
Для відтворення будь-якого значення температури від 630,74 ° С до 13,81 До по МПТШ-68 з точністю ~ 0,001 До служить платиновий термометр опору . В діапазоні Н. т. Температура по МПТШ-68 відрізняється від істинного термодинамічної значення не більше ніж на 0,01 К. МПТШ-68, поки не продовжено нижче 13,8 К, зважаючи на відсутність в цій області Н. т. Вторинного термометра, який не поступається за чутливістю, точності і відтворюваності показань платиновому термометру опору при більш високих температурах. В діапазоні 0,3-5,2 До низькотемпературна термометрія заснована на залежності тиску насичених парів ps гелію від температури Т, яка встановлюється за допомогою газового термометра. Ця залежність була прийнята в якості міжнародної температурної шкали в області 1,5-5,2 К (шкала 4He, 1958) і 0,3-3,3 К (шкала 3He, 1962). Залежність ps (T) в цих температурних діапазонах не може бути представлена простий аналітичної формулою і тому табулірует; табличні дані забезпечують точність визначення температури до тисячної частки Кельвіна.
В області Н. т. Для цілей практичної термометрії застосовують головним чином термометри опору (до 20 К - мідний; в області водневих і гелієвих температур - аж до 1 м К - вугільні, опір яких зростає при зниженні температури). Застосовують також термометри опору з чистого германію. Висока стабільність і достатня чутливість роблять їх зручним інструментом вимірювання температури нижче 100 К.
Існує ряд ін. Чутливих до змін температури пристроїв, які можуть бути використані в якості вторинних термометрів для вимірювання Н. т .: термопари , термістори , напівпровідникові діоди , Датчики з надпровідних сплавів (в області гелієвих і водневих температур).
Нижче 1 До газових термометром користуватися практично не можна. Для визначення термодинамічної температури в цій області використовують магнітні та ядерні методи. В магнітної термометрії користуються поняттям магнітної температури Т *, яку визначають з вимірювань магнітної сприйнятливості c парамагнитной солі. згідно Кюрі закону , При досить високих температурах c ~ 1 / T *. Для багатьох солей закон Кюрі справедливий і при гелієвих температурах. Екстраполюючи цю закономірність в область наднизьких температур, визначають магнітну температуру як величину, обернено пропорційну сприйнятливості. Для отримання точних результатів необхідно враховувати різні побічні чинники: анизотропию сприйнятливості, геометричну форму зразка і ін. Область температур, в якій магнітна температурна шкала досить близька до термодинамічної, залежить від конкретної солі. Найбільш широко для вимірювання наднизьких температур до 6 м До застосовують церій-магнієвий нітрат, для якого розбіжність шкал при вказаній температурі менше 0,1 м До. В основі ядерних методів вимірювання Н. т. Лежить принцип квантової статистичної фізики, згідно з яким рівноважна заселеність дискретних рівнів енергії системи залежить від температури. В одному з таких методів вимірюється інтенсивність лінії ядерного магнітного резонансу , Яка визначається різницею заселеності рівнів ядерних магнітних моментів в магнітному полі. В ін. Методі визначається залежне від температури ставлення інтенсивностей компонент, на які розщеплюється лінія резонансного гамма-випромінювання ( Мессбауера ефект ) У внутрішньому магнітному полі феромагнетика.
Аналогом термометрії по тиску насичених парів в області наднизьких температур є вимір температури в діапазоні 30-100 м До по осмотичного тиску 3He в суміші 3He - 4He. Абсолютна точність вимірювань - близько 2 м До при чутливості осмотичного термометра 0,01 м К.
Фізика низьких температур. Застосування Н. т. Зіграло вирішальну роль у вивченні конденсованого стану. Особливо багато нових і важливих фактів і закономірностей було відкрито при вивченні властивостей різних речовин при гелієвих температурах. Це призвело до розвитку спеціального розділу фізики - фізики Н. т. При зниженні температури у властивостях речовин починають проявлятися особливості, пов'язані з наявністю взаємодій, які при звичайних температурах придушуються сильним тепловим рухом атомів. Нові закономірності, виявлені при Н. т., Можуть бути послідовно пояснені тільки на основі квантової механіки . Зокрема, принцип невизначеності квантової механіки і що з нього існування нульових коливань при абсолютному нулі температури пояснюють той факт, що гелій залишається в рідкому стані аж до 0 К (див. квантова рідина ). Найбільш яскраво квантові закономірності проявляються при Н. т. В явищах надплинності і надпровідності . Вивчення цих явищ становить важливу частину фізики Н. т. З 60-х рр. 20 в. відкритий ряд цікавих ефектів, в яких особливе значення має просторова когерентність хвильових функцій на макроскопічних відстанях (надпровідний туннелирование, Джозефсона ефект ). Велике значення має вивчення властивостей рідкого 3He, який являє собою приклад нейтральної квантової фермі-рідини. Як тепер з'ясовано, при температурах близько 3 м К і тиску близько 34 бар 3He зазнає фазове перетворення, що супроводжується значним зменшенням в'язкості (переходить в надтекучий стан).
Розвиток фізики Н. т. В значній мірі сприяло створенню квантової теорії твердого тіла , Зокрема загальної теоретичної схеми, згідно з якою стан речовини при Н. т. Може розглядатися як суперпозиція ідеально упорядкованого стану, відповідного 0 К, і газу елементарних збуджень - квазичастиц . Введення різних типів квазичастиц ( фонони , дірки , магнони та ін.) дозволяє описати різноманіття властивостей речовин при Н. т. Термодинамічні властивості газу елементарних збуджень визначають спостережувані макроскопічні рівноважні властивості речовини. У свою чергу, методи статистичної фізики дозволяють передбачити властивості газу збуджень з характеру зв'язку енергії і імпульсу квазичастиц (закону дисперсії). Вивчення теплоємності, теплопровідності і ін. Теплових і кінетичних властивостей твердих тіл при Н. т. Дає можливість встановити закон дисперсії для фононів і ін. Квазічастинок. Температурна залежність намагніченості феро і антиферомагнетиків пояснюється в рамках закону дисперсії магнонов ( спінових хвиль ). Вивчення закону дисперсії електронів в металах становить ще один важливий розділ фізики Н. т. Ослаблення теплових коливань решітки при гелієвих температурах і застосування чистих речовин дозволили з'ясувати особливості поведінки електронів в металах (див. гальваномагнітні явища , Де Хааса - ван Альфена ефект , циклотронний резонанс ). Застосування Н. т. Грає велику роль при вивченні різних видів магнітного резонансу .
Охолодження до наднизьких температур застосовується в ядерної фізики для створення мішеней і джерел з поляризованими ядрами при вивченні анізотропії розсіяння елементарних частинок. Такі джерела дозволили, зокрема, поставити вирішальні експерименти з проблеми незбереження парності . Н. т. Застосовуються при вивченні напівпровідників, оптичних властивостей молекулярних кристалів і в багатьох ін. Випадках.
Технічні додатки низьких температур. Одна з головних областей застосування Н. т. В техніці - поділ газів. Виробництво кисню та азоту в великих кількостях засноване на зріджуванні повітря з подальшим поділом його в ректифікаційних колонах на азот і кисень. Застосування рідких кисню та азоту різноманітне, зокрема кисень служить окислювачем у ракетному паливі. Н. т. Використовують для отримання високого вакууму методом адсорбції на активованому вугіллі або цеолітах ( адсорбційний насос ) Або безпосередній конденсації на металевих стінках посудини з хладоагентом (кріонасос; рис. 2а, б). Високий вакуум і охолодження до Н. т. Дозволяють імітувати умови, характерні для космічного простору, і проводити випробування матеріалів і приладів в цих умовах. Охолодження до температур рідкого повітря або азоту початок знаходити важливі застосування в медицині. Використовуючи прилади, здатні виробляти локальне заморожування тканин до Н. т., Здійснюють оперативне лікування мозкових пухлин, урологічних та ін. Захворювань. Є також можливість тривалого зберігання живих тканин при Н. т.
Др. напрямок технічних застосувань Н. т. пов'язано з додатками надпровідності. Тут найбільш важливу роль відіграє створення сильних магнітних полів (~ 103 ке), необхідних для прискорювачів заряджених частинок, трекових приладів (Бульбашкових камер і ін.), Магнитогидродинамических генераторів і різноманітних лабораторних досліджень (див. Магніт надпровідний ). На основі явища надпровідного тунелювання розроблені надпровідні квантові інтерференційні пристрої, здатні вимірювати надзвичайно слабкі електричні напруги (~ 10-14 в), а також реєструвати дуже малі зміни магнітного поля (~ 10-11 е). Н. т. Грають також велику роль в квантової електроніки .
Літ .: Фізика низьких температур, пров. з англ. під заг. ред. А. І. Шальнікова, М., 1959; Уайт Г. К., Експериментальна техніка у фізиці низьких температур, пров. з англ., М., 1961; Земанскій М., Температури дуже низькі і дуже високі, пров. з англ., М., 1968; Роуз-Інс А., Техніка низькотемпературного експерименту, пров. з англ., М., 1966; Мендельсон К., На шляху до абсолютного нуля, пров. з англ., М., 1971; Лінтон Е., Надпровідність, пер. з англ., 2 вид., М., 1971; Пегаков В. П., Властивості He3 і його розчинів в He4, «Успіхи фізичних наук», 1968, т. 94, ст. 4, с. 607; Довідник по Фізикотехнічні основах кріогеникі, під заг. ред. М. П. Малкова, 2 вид., М ;, 1973; Progress in low temperature physics, ed. by CJ Gorter, v. 6, Amst., 1970.
І. П. Крилов.
Мал. 2а - зовнішній вигляд кріонасоса і відкачуваного робочого об'єму: 1 - корпус кріонасоса; 2 - робочий об'єм; 3 - електронна система управління і регулювання; 4 - посудину з рідким азотом і 5 - з рідким гелієм.
Мал. 1. а - схема, яка пояснює дію рефрижератора розчинення 3He в 4He: пари 3He відкачуються дифузійним насосом 1 і подаються потім ротаційним насосом 2 до камери розчинення 8, попередньо вони охолоджуються в ванні з рідким азотом 3 і в ванні з рідким гелієм 4. Перед капіляром 5 пари 3He конденсуються. Рідкий гелій 3He, додатково охолоджений в теплообміннику 7, надходить в камеру 8. Звідси атоми дифундують крізь розчин 3He в 4He в камеру випаровування 6, і цикл повторюється. Позначення: Т - температура, р - тиск, n - концентрація 3He, J - продуктивність системи відкачування. б - основна низькотемпературна частина рефрижератора розчинення: 1 і 2 - труби відкачування 3He і 4He; 3 - камера випаровування; 4 - камера розчинення; 5 - блоки теплообмінників.
Мал. 2б - схема, яка пояснює дію кріонасоса: в корпусі 1 розташовані теплові екрани 2 і 3, які мають температуру рідкого азоту (77 К), вони захищають від зовнішнього теплового впливу резервуар 4 з рідким гелієм. Пари гелію відкачуються через систему регулювання тиску 5 насосом 6. За рахунок цього температура в резервуарі 4 знижується і молекули газів в робочому об'ємі виморожуються; 7 - насос, який здійснює попереднє вакуумування; 8 і 9 - датчики рівнів рідких азоту і гелію; 10 - електронна система автоматичного регулювання та керування; 11 - зовнішня оболонка, яка підігрівається, щоб прилад не покривається інеєм при роботі.
