低温物理与技术超低温技术简介.ppt

注意：3He 在4mK 是的蒸汽压实际上为零，没有一个真空泵能达到想要的结果。因此，必须有一个蒸馏器（温度控制在～0.7K），然后利用真空泵来抽蒸馏器，将3He 抽走，在混合室中3He 原子向下穿过界面从浓相进入稀释相，通过混合的潜热产生冷却。 完整的装置要求连续循环3He，必须包括有效的热交换器。 被分馏出去的3He 由一条不同的路径返回到富3He 相。 在混合室中因3He “原子气体”的膨胀（稀释）而产生冷却，抽走热量的速率取决于3He 穿过界面的摩尔流速和3He 浓缩态和稀释态之间的焓差（正比于T2）。 3He 穿过混合室的相分界面，然后向上经过热交换器到达蒸馏器；抽走的3He 在泵的高压边冷凝，往下通过热交换器而被冷却，然后进入混合室，完成一个循环。 如同液体蒸发相变制冷，需要额外的能源把3He原子从3He的浓缩相运输到3He 稀缺相（4He的浓缩相）。如果3He原子可不断跨越这个界限，则可有效地冷却3He和4He混合物。由于3He稀缺相即使在绝对零度也不能的6％，因此，可以在极低的温度下进行有效的稀释制冷。这个过程发生的地方被称为混合室。 最简单的应用是间歇式稀释制冷机，首先收集大量的3He浓缩相混合物液体，然后将逐渐把3He移到3He的稀缺相进行稀释制冷，一旦所有的3He处于3He稀缺相，制冷过程就停止了。 通常采用连续运行的稀释制冷机。3He浓缩相混合物在冷凝器中首先液化，然后流到在混合室中，3He从3He浓缩相迁移到3He稀缺相中，产生制冷量，然后3He稀缺相混合物液体在蒸发器（Still）中蒸发，成为3He浓缩相气体混合物，被压缩机加压后返回到冷凝器，开始再次循环。 连续氦稀释制冷原理 氦稀释制冷机具有连续制冷、操作方便、稳定可靠、不用磁场就可获得mK级低温的特点，为低温物理学研究提供了便利。现已制成能获得约0.005K低温的间歇式稀释制冷机，在连续制冷系统中可达到0.01K。 连续氦稀释制冷机 稀释制冷机前端和安装到PPMS上的稀释制冷机 第12章 超低温技术 12.1 He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1.2 K。 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30 nm 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0.3 cm3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0.2 K，通常为0.3 K。 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26.20 J/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