5.1.2 Стадия проведения эксперимента

Далее рассмотрим ситуацию, когда экспериментальное оборудование достигло фазы стационарного состояния; это означает, что узлы установки имеют требуемую низкую температуру, и мы можем проводить эксперимент при этой постоянной температуре. В такой ситуации тепло, передаваемое от внешних источников, должно компенсироваться холодопроизводительностью, обеспечиваемой криогенной жидкостью, в основном, за счет теплоты испарения. Холодный газ может использоваться только для охлаждения, например, опорных конструкций установки или стенок криостата. Рассмотрим основные источники теплопритока при проведении экспериментов в кельвиновой температурной области.

а) Теплопроводность

Передача тепла может происходить, например, по проводам, используемым для проведения эксперимента, или по стенкам криостата. Передача тепла за счет теплопроводности определяется уравнениями и свойствами материалов, рассмотренными при обсуждении удельной теплопроводности (разд. 3.3, 4.1). Чтобы минимизировать процесс передачи тепла, мы должны правильно выбрать материалы и размеры узлов установки. На практике это означает, что нам следует использовать в значительной степени неупорядоченные или органические материалы из-за их низкой теплопроводности или, если мы должны использовать металлы, то это должны быть тонкостенные трубки из низкопроводящей нержавеющей стали или CuNi сплава.

б) Тепловое излучение

Излучение тепла определяется уравнением Стефана-Больцмана, которое в своей простейшей форме записывается как

for_01_05_01

для случая, когда излучающие и поглощающие площади, А, одинаковы, а излучательные способности этих двух площадей равны 1 («из­лучение абсолютно черного тела»), что подразумевает использование грязных поверхностей. На деле, конечно, ситуация может быть улучшена путем использования полированных металлических поверхностей. В этом случае излучательную способность Ε можно уменьшить до значений, приведенных в табл. 5.2.

Твёрдое тело (Au, Ag, Cu, Al, Нержавеющая сталь, Стекло/органика), Излучательная способность

Для Ε ≠ 1 уравнение (5.1) необходимо умножить на Ε1Ε2/(Ε1 + Ε2Ε1Ε2) [5.1]. Этот множитель равен Ε/2, если излучательные способности излучающих Ε1 и поглощающих Ε2 поверхностей одинаковы и много меньше 1. Если тепло за счет излучения требуется уменьшить, то поверхности следует позолотить, чтобы предотвратить окисление и сохранять их чистыми и блестящими. Это особенно важно для устройств, используемых при Т < 100 мК (гл. 7.10). Мы должны помнить, что основная длина волны, излучаемая телом при Т < 300 К, лежит в инфракрасной области (10 мкм при 300 К), поэтому речь идет об излучательных способностях при этих длинах волн, а не длинах волн в видимой области. Хорошо полированные металлы лучше отражают и в инфракрасной области.

Уравнение (5.1) говорит нам, что части установки, охлажденные до температур жидкого гелия, не следует оставлять незащищенными от поверхностей, расположеных при комнатной температуре, т.е. они не должны «видеть» поверхности при комнатных температурах. Если мы рассчитаем тепло, излучаемое поверхностью в 10 см2 при 300 К, то обнаружим, что оно составляет 0,5 Вт, что соответствует испарению 0,7 л гелия в час. Если мы уменьшим температуру этой, 10 см2, площади до температуры кипения азота, 77 К, то излучаемое тепло сократится до 2 мВт, или только 3 см3 жидкого гелия будет испаряться в час. Внутренняя часть криостата, охлажденная жидким гелием, должна быть окружена радиационными экранами или жалюзи при промежуточных температурах, чтобы экранировать ее от излучения поверхностей, находящихся при комнатной температуре. Эти экраны должны охлаждаться газом или, еще лучше, должны быть тепловым образом непосредственно привязаны к частям установки, имеющим промежуточную температуру, например к ванне жидкого азота (см. ниже).

в) Проводимость за счет частиц остаточного газа в вакуумном пространстве

Поскольку низкотемпературные поверхности действуют как крионасосы (разд. 2.3.2), то вакуум в криостате обычно достаточно хорош для того, чтобы проводимость остаточного газа была довольно низкой. Тепло, передаваемое при таком процессе, для возможного остаточного газа есть [5.1,2]

если средняя длина свободного пробега частиц газа больше размеров контейнера, что обычно выполняется для случая низкого давления. Здесь а – коэффициент аккомодации частиц газа на стенках; он равен 1 в предельном случае, но может быть очень малым, например 0,025, для чистых металлических поверхностей, не защищенных гелиевым газом. Если мы рассмотрим прибор с площадью 100 см2, примем а = 1 и рассчитаем, сколько тепла передается от узлов при ком­натной температуре к узлам при низкой температуре и остаточном давлении 10–6 мбар, то получим около 1 мВт, что пренебрежимо мало для кельвиновой области температур, но может быть вредно для более низких температур (разд. 10.5.3). Чтобы улучшить действие криогенной откачки, часто к холодной стенке криостата прикрепляют газопоглощающее вещество, которое очень эффективно поглощает остаточный газ (рис. 5.7).

Для экспериментов в нижней милликельвиновой или даже мнкрокельвиновой области становятся важными другие источники тепла; они будут обсуждаться в разд. 10.5.