5.0 Криостаты с гелием-4

Здесь и в последующих пяти главах обсуждается оборудование, необходимое для получения и поддержания низких температур. Начнём с криостатов для кельвиновой температурной области, в которой низкие температуры получают с помощью испаряющегося жидкого гелия [5.1-3]. Важный аспект нашего рассмотрения — поддержание скорости испарения криогенной жидкости возможно более низкой за счет оптимизации процесса охлаждения и минимизации тепла, передаваемого от теплых к холодным частям оборудования.

Основным видом изоляции холодных частей от теплых является вакуумная изоляция. Поэтому криотехнология всегда включает в себя вакуумную технологию. Физику-криогенщику нужен опыт в области вакуумной физики: в конструировании вакуумно плотных устройств, в том, как избежать течей, в технологии пайки, сварки и склеивания; или, если имеются течи, то в методах их поиска и устранения. Эти технологии очень важны, потому что низкотемпературное оборудование может испытывать экстремальные механические напряжения из-за больших температурных градиентов и различных коэффициентов теплового расширения используемых разнообразных материалов.

Экспериментаторы-криогенщики должны конструировать и создавать свои устройства очень внимательно, с весьма высокой надежностью, потому что эти устройства изготавливаются и испытываются при комнатной теммпературе, а затем уплотняются, откачиваются и охлаждаются. После охлаждения могут развиться неисправности, связанные с появлением вакуумных течей, вызванных тепловыми напряжениями, либо из-за того что электрические провода не были соединены надлежащим образом, и произошел обрыв или замыкание их на землю и так далее. Эти дефекты не могут быть устранены при низких температурах. Поэтому для ремонта устройство нужно отеплить. Хуже того, имеются дефекты, которые проявляют себя только при низких температурах и опять исчезают, когда устройство отеплено. Часто местоположение этих дефектов трудно определить, и потребуется занимающая много времени детальная проверка всех узлов установки, чтобы выяснить что и где произошло. Вот почему для низкотемпературного оборудования предельно важно его внима­тельное конструирование и тщательное исполнение.

Кроме того, мы должны помнить, что холодные поверхности адсорбируют газы. Если установка, например, имеет небольшую течь на атмосферу, то может происходить натекание воздуха, который будет конденсироваться на поверхностях, охлажденных гелием. Если установка в течение длительного времени находится при низкой тем­пературе, то холодные поверхности могут покрыться большим ко­личеством воздуха. При отеплении сконденсированные газы будут десорбироваться, и в вакуумном пространстве может развиться заметное давление. Напомню также, что все контейнеры, которые на какое-то время будут заполнены криогенной жидкостью, долж­ны либо быть способными выдержать весьма высокое давление, либо, лучше, содержать элементы безопасности, так что при возможном несчастном случае давление не смогло бы вырасти до опасных значений. Поэтому как на вакуумных сосудах, так и на контейнерах для криогенных жидкостей следует иметь клапаны безопасности или разрывные мембраны. Для всех сосудов необходимо соблюдать определенные правила техники безопасности, которые в некоторых странах охраняются законом.