Хранения вещества при повышенной или пониженной температуре. Сосуд Дьюара

Криогенная техника

КРИОГЕННАЯ ТЕХНИКА, отрасль науки и техники, изучающая вопросы получения, поддержания и использования криогенных температур (ниже 120 К; около – 150 C). Основные задачи: сжижение газов, разделение газовых смесей, охлаждение и термостатирование сверхпроводящих и других электротехнических устройств и т.д.

СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ, переход вещества из газообразного состояния в жидкое при охлаждении его ниже температуры насыщения (критические температуры при данном давлении). Для сжижения газов с низкой критической температурой (126,2 К у азота; 154,2 К у кислорода; 33 К у водорода; 5,3 К у гелия) применяют криогенную технику.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Работа холодильных и криогенных установок определяется процессами внутреннего охлаждения, которые обеспечивают необходимое понижение температуры рабочего тела. В технике используют в основном три способа внутреннего охлаждения:

1. Дросселирование (эффект Джоуля—Томсона);

2. Детандирование

3. Термоэлектрическое охлаждение (эффект Пельтье).

Первые два способа применяют как раздельно, так и в сочетании и в холодильных, и в криогенных установках, третий - только в холодильных установках.

Данные методы пригодны для получения любых криогенных температур, кроме ультранизких (ниже 0,3 К).

 

МЕТОД РАСТВОРЕНИЯ ЖИДКОГО 3НЕ В 4НЕ

 

Метод растворения 3Не в 4Не является в настоящее время основным для получения ультранизких температур от ~ 0,3 до 0,005 К. Метод основан на использовании эффекта охлаждения от растворения 3Не в 4Не. Предположение о том, что растворение легкого изотопа 3Не в 4Не должно быть связано с поглощением тепла, было высказано X. Лондоном в 1951 г., но только в 1962 г. X. Лондоном, Дж. Кларком и Б. Мендозой была разработана сама схема рефрижератора растворения. Первый успешно действовавший рефрижератор был создан в 1965 г. Б. Негановым, Н. Борисовым и М. Либургом.

Действие рефрижератора растворения основано на свойстве жидких смесей 3Не-4Не при температурах ниже 0,88 К расслаиваться на две фазы, одна из которых более богата 3Не, а другая более богата сверхтекучим 4Не. Фаза, богатая 3Не, имеет меньшую плотность и всплывает над фазой, обогащенной 4Не. Если с помощью вакуум-насоса заставить 3Не переходить из верхней фазы в нижнюю, то температура смеси будет понижаться (эффект растворения). Атомы 3Не при переходе в фазу, богатую 4Не, как бы расширяются в пустоту, поскольку они не взаимодействуют с атомами сверхтекучего 4Не, имеющими нулевую энтропию. Такой процесс в некотором смысле аналогичен обычному испарению; при этом верхняя фаза, богатая 3Не, соответствует жидкости, а нижняя, богатая 4Не,— пару. Практически важно, что даже при 0 K растворимость 3Не в 4Не составляет ~6,4%. Принципиальная схема рефрижератора растворения показана на рис.2.

Рисунок 2. Получение ультранизких температур растворением жидкого ³He в ⁴He

Основными узлами рефрижератора являются: вакуум-насос (1), обеспечивающий циркуляцию газа в системе, ванна (2) жидкого 4Не, кипящего под вакуумом для конденсации 3Не; камера испарения (3) с нагревателем; набор теплообменников (4) и камера растворения (5). Вакуум-насос откачивает из камеры испарения почти чистый 3Не и сжимает его до давления 50—90 гПа (40—80 мм рт. ст.). После предварительного охлаждения жидким азотом сжатый 3Не конденсируется в ванне 2 при температуре ~ 1 — 1,5 К. Далее жидкий 3Не проходит дроссель-капилляр 3, где его давление снижается до 1,5—15 Па, и, последовательно охладившись в камере испарения и системе теплообменников, поступает в камеру растворения. В камере растворения за счет перехода 3Не в фазу, богатую сверхтекучим 4Не, устанавливается сверхнизкая рабочая температура. Обратно поток газа из камеры растворения через систему теплообменников и камеру испарения поступает в вакуум-насос, и таким путем цикл замыкается.

 

ХРАНЕНИЯ ВЕЩЕСТВА ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ИЛИ ПОНИЖЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ. СОСУД ДЬЮАРА.

Сосуд Дьюара — сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре. Перед помещением в сосуд Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить. Постоянная температура поддерживается пассивными методами, за счет хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение).