低温物理与技术-第12章 超低温技术课件.ppt

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1、第12章超低温技术12.1He减压蒸发制冷低于1K的温度叫做超低温，因此获得低于1K温度的方法就叫超低温技术对4.2K的4He液氦恒温器减压，所能达到的最低温度约1.2K。通过对4He液浴减压可达最低温度约0.5K对4.2K的4He液池减压，限制获得更低温度的因素主要有：（1）4He的蒸气压比较低例如T=1K时，4He蒸气压比3He小35倍；T=0.5K时，4He蒸气压比3He小10000倍。（2）4He超流后形成爬行氦膜的现象，厚度约30nm的氦膜沿着容器壁向上爬行，在温度较高的地方蒸发，限制了抽速。并且这种蒸发随着

2、HeII温度的降低而迅速增大。估算：1.5K，在清洁金属表面上的蒸发率约为每厘米周长每秒0.15cm3标准状态下气体。因此，内径60mm的杜瓦中的液氦要减压降温至1K，需要的抽速为21升/秒。4He减压液池：需要在抽气管道上安置限氦膜孔，如1mm直径，膜流0.3cm3液体/小时。为了连续得到1K温度，必须有一毛细管到4He液池，可用烧结铜粉或插入流阻。3He制冷机3He因不存在3He膜,也就没有沿着3He膜的传热或3He蒸发而产生的额外漏热。所以在低温端可以利用一粗管道对3He液浴减压,获得比利用4He液浴减压所能达到

3、的更低的温度。3He的正常沸点是3.19K，通过减压可达稍低于0.3K的温度。1955年T.R.Roberts和S.G.Sydoriak首先成功地设计出3He恒温器。利用3He蒸发的低温恒温器是获得1K以下温度的最简便的方法。3He的质量小,零点运动强烈,因此在所有的温度下它的蒸气压比4He都要高。3He低温恒温器3He恒温器所能达到的最低温度为0.2K，通常为0.3K。减压液体3He之所以要比减压液体4He容易得到更低的温度，是由于：（1）在相同的温度下3He的饱和蒸气压比4He高得多；（2）3He没有4He超流爬行

4、膜引起的附加蒸发和漏热，也不需要加限制膜流的小孔。液体3He具有较大的冷却能力。估算：在0.3K时液体3He的汽化潜热是26.20J/mol，而一般金属在这样低的温度下的比热都很小。标准状态下的1升3He气体可得到0.3K的3He液体1.63毫升，其汽化潜热是1.16J，可以把200kg铜从1K冷却到0.3K.对于发热量在10μW以下的实验，有1－2毫升的液体3He就可以在0.3－1K的任何温度连续工作10小时以上。3He制冷机1K池的作用是使3He气体液化。1K辐射屏是为了减小辐射漏热。利用机械泵和扩散泵减压，抽气速

5、率不是问题，限制最低温度的达到主要是3He抽气管道的阻力。3He液池的制作：无氧铜材料，内部要放烧结铜粉或铜箔。连续抽气至液体3He全部汽化后必须升温、重新液化3He，在低温下连续使用的时间是有限的，一般几个小时左右。一次性减压的3He制冷机采用连续循环的方式可以长时间地维持在极低温下，即让抽走的3He气体重新冷凝返回3He液池，如图中虚线所示。注意：冷凝的液体3He进入液池之前要经过一流阻，选择适当大小的流阻，使得其上方的3He压强可达到凝聚压强，又要保证进入液池的液体流速不小于被抽走的速率。流阻：通常是在毛细管中塞

6、进一段不锈钢丝，用其长短来调节。连续循环的3He制冷机冷凝液体3He时，保持活性炭的温度在30K以上，这时活性炭没有吸附作用。等3He气体充分液化后，停止对活性炭的加热，其温度下降，开始大量吸附3He气，起到减压作用。整个过程是可重复的，并且避免了使用真空泵可能出现的3He气体损失和受污染。采用活性炭吸附泵的3He制冷机坡密朗丘克冷却当T≈0.319K和p=2.931MPa时,3He的熔化曲线上有一个很深的极小值，在比极小值更低的温度下沿着熔化曲线对3He的液体-固体混合物进行绝热压缩，会发生冷却效应,这就是坡密朗丘克

7、效应。通常所用的冷却步骤是:先将3He小液池预冷到0.319K以下某一温度，这时3He液池内只有液态3He，在绝热条件下加大压力，则3He的状态沿着溶化曲线移动，液体逐渐固化,当液池全部固化时即达到最终温度。验证坡密朗丘克冷却的3He相图和温-熵图Ss为固态3He的熵S1为液态3He的熵计算指出，使用这种方法所能达到的极限温度约1mK。He3制冷机小车及测量样品托Janis公司的连续循环的3He制冷机basetemperature420mKforcontinuousmode牛津仪器公司的HelioxTL>50hrhol

8、dingtime;400μWcoolingpower牛津仪器公司的HelioxVL>60hrholdingtime;40μWcoolingpower利用3He液浴减压最低温度可达到0.2K；利用3He-4He稀释致冷机可达1.5mK。1951年，H.London提出用3He/4He混合液来制冷的设想。1962年，H.London等