5.2.1 Стеклянные дьюары с двойными стенками

Типичное устройство для экспериментов, в которых в качестве криогенной жидкости используется жидкий 4Не, есть система со стеклянным дьюаром, имеющим двойные стенки [5.1,2], как показано на рис. 5.1.

Внутренние поверхности стекла покрыты алюминием или серебром для блокировки теплового излучения (за исключением вертикальной полоски для обозрения шириной 1 см)

Достоинствами такой системы являются ее достаточно малая стоимость, низкая теплопроводность стекла и простота наблюдения за уровнем криогенной жидкости. Недостаток, конечно, — это легкость, с которой стекло разбивается. Особенно опасной может быть ситуация, если имеется малая течь в вакуумном пространстве между двумя стеклянными стенками. Тогда воздух, например, может входить в это пространство и конденсироваться на холодных поверхностях. Малая течь может оставаться незамеченной. При отеплении системы сконденсированный воздух будет испаряться. Если воздух не сможет достаточно быстро выйти через очень маленькую щель, то в вакуумном пространстве постепенно будет создаваться повышенное давление, и стеклянный дьюар может разорваться. Чтобы предотвратить серьезные последствия такого взрыва, нужно следовать двум правилам.

  • Никогда не разбирать криогенную систему, пока она не отеплится до комнатной температуры.
  • Система со стеклянным дьюаром должна быть окружена защитным контейнером, чтобы куски стекла не могли попадать в рабочее помещение.

Нужно также помнить, что при комнатной температуре гелий диффундирует через стеклянные стенки (обычно 10–12 — 10–10 см3/с через 1 см2 стекла толщиной 1 мм, если ΔР = 1 бар; это зависит от типа стекла, наименьшая диффузия через пирекс). То же справедливо для стекловолокна, часто используемого в металлических дьюарах (см. ниже). Чтобы поддерживать вакуум, следует поэтому откачивать гелиевый газ из внутреннего объема тотчас же после отепления установки до комнатной температуры. Во всяком случае, вакуумное пространство стеклянного дьюара нужно откачивать время от времени, по крайней мере, каждые несколько недель при работе с жидким гелием, поскольку некоторые части дьюара могут находится в контакте с газообразным гелием, имеющим комнатную температуру даже в период проведения эксперимента.

Такой дьюар следует оборудовать радиационными экранами, чтобы теплоприток посредством излучения был малым, нужно также прогонять холодный газ вдоль стенок дьюара, тем самым их охлаждая. В хорошо сконструированном криостате гелиевый газ достигает верхней части криостата при 300 К.

В разд. 5.1.1 мы говорили о необходимости предварительного охлаждения жидким азотом перед окончательным этапом охлаждения жидким 4Не. Имеется два способа предварительного охлаждения жидким азотом системы, аналогичной той, которая изображена на рис. 5.1. Первая возможность — это оставить около одного миллибара воздуха в вакуумном пространстве гелиевого дьюара и в пространстве, которое будет потом заполнено жидким гелием. Этого давления достаточно, чтобы газ выполнял роль обменного газа между экспериментальным устройством и жидким азотом во внешнем контейнере для предварительного охлаждения. Воздух в вакуумном пространстве не нужно откачивать перед заливкой жидкого гелия внутрь стеклянного дьюара; он просто вымерзает. Другая возможность — это заполнить объем, предназначенный для жидкого гелия, вначале жидким азотом для предварительного охлаждения экспериментального устройства. Конечно, затем жидкий азот следует удалить из внутреннего объема через трубку, которая проходит вниз до самой нижней точки гелиевого дьюара, путем увеличения давления над жидким азотом. Необходимо быть уверенным в том, что весь жидкий азот действительно удален перед заливкой жидкого гелия, потому что жидкий азот имеет весьма большую теплоемкость и может быть причиной заметного расхода жидкого гелия для охлаждения азота до нижней кельвиновой температурной области. Регулируемая и защитная нагревательная система для испарения оставшейся части жидкого азота или для отепления системы дьюара описана в [5.4].

 

View one comment on “5.2.1 Стеклянные дьюары с двойными стенками

Comments are closed.