1.2. Историческое развитие техники глубокого охлаждения

Историческое развитие техники глубокого охлаждения проиллюстрировано на рис. 1.2. Воздух, N2 и О2 были ожижены и получены в кристаллическом состоянии более ста лет тому назад, в 1883 г. Это случилось впервые, когда человек достиг температуры ниже 100 К. Ученые, вовлеченные в эту рискованную затею, имели две цели. Одна, очень практическая, состояла в том, чтобы изобрести способ охлаждения мяса для успешной его транспортировки из разных стран в Европу.

Научная цель состояла в том, чтобы установить, существуют ли газы, которые не могут быть получены в жидком или твердом состоянии. Другая, научная задача привела Джеймса Дьюара в 1898 г. к ожижению и кристаллизации водорода, — он достиг температур 20 К и позднее 13 К. Примерно к этому времени был открыт последний из газовых элементов — это был гелий, впервые зарегистрированный в спектроскопических исследованиях солнечных протуберанцев, и затем как газ, выделяющийся из различных минералов на земле. Голландский ученый Хейке Камерлинг-Оннес выиграл соревнование в ожижении этого элемента, он ожижил гелий-4 при 4,2 К в 1908 г. Работы Камерлинг-Оннеса открыли для науки кельвиновый диапазон температур и ученые его Лейденской лаборатории доминировали в физике низких температур по крайней мере в течение 20 лет, проводя многие фундаментальные исследования в таких областях, как физика гелия, физика металлов и магнетизм. Сегодня X.Камерлинг-Оннес считается ”отцом физики низких температур”.

Низкотемпературная область стала доступной

В 1926 г. X.Камерлинг-Оннес достиг температуры 0,7 К, откачивая пар из ванны с кипящим 4Не. Для получения температур существенно ниже 1 К было необходимо развить принципиально новую технологию — магнитное охлаждение. С помощью адиабатического размагничивания парамагнитных солей, метода, предложенного в 20-е гг., можно приблизиться к абсолютному нулю в пределах нескольких милликельвинов (рис. 1.2). Модифицированная версия метода магнитного охлаждения – адиабатическое размагничивание ядерных магнитных моментов — является в настоящее время единственным методом, позволяющим проникнуть далеко в микрокельви-новый диапазон температур. В то время, пока проводились ”одноразовые” магнитные охлаждения, родился другой метод охлаждения, опять основанный на свойствах жидкого гелия — растворение редкого изотопа 3Не в более распространенном изотопе 4Не, метод, который дал возможность непрерывного понижения температуры в нижний милликельвиновый диапазон. Этот метод, предложенный в 1960 г. и получивший практическое распространение в начале 70-х гг., в настоящее время прекрасно разработан и приближается, по-видимому, к пределу своих возможностей; он повсеместно заменил адиабатическое размагничивание парамагнитных солей. В этой связи в данной работе будут обстоятельно обсуждаться рефрижераторы растворения, а рефрижераторам на основе парамагнитных солей будет посвящена лишь одна короткая глава. Ядерное магнитное охлаждение — единственный метод для охлаждения в микрокельвиновой области, естественно, будет рассмотрен в деталях. Кратко будут обсуждены также два дополнительных, основанных на свойствах 3Не, метода охлаждения, которые на сегодняшний день имеют меньшее значение: охлаждение за счет испарения жидкого 3Не и охлаждение путем кристаллизации жидкого 3Не (охлаждение с использованием эффекта Померанчука).