6.0 Криостаты с гелием-3

Обычно область температур, которую можно получить с помощью ванны с жидким 4Не, составляет 4,4 ÷ 1,3 К, но эту область можно расширить до 0,3 К, если вместо более распространенного изотопа 4Не использовать редкий изотоп 3Не. Главная причина преимущества 3Не в том, что 3Не в этой области температур имеет гораздо большее давление пара, чем 4Не; отношение Р3/Р4 равно 74 при 1 К и около 104 при 0,5 К (рис. 2.6,7).

Еще одно преимущество использования 3Не вместо 4Не при температурах ниже их нормальной точки кипения обусловлено тем, что теплоемкость жидкого 3Не изменяется гораздо меньше, чем 4Не в области температур, например, между 2 и 0,5 К (рис. 2.8). Поэтому нужно испарить лишь 20 % 3Не, чтобы охладить эту жидкость от 1,5 до 0,3 К за счет собственной теплоты испарения. К тому же, теплоемкость жидкого 3Не больше теплоемкости жидкого 4Не при температуре ниже 1,5 К, что приводит к большему тепловому запасу жидкости в этой температурной области. Наконец, жидкий 3Не не является сверхтекучим в области температур, рассматриваемой в этой главе. Поэтому здесь нет проблем теплопередачи по сверхтекучей пленке, иногда возникающих в жидком 4Не (разд. 2.3,5).

Имеется два весьма серьезных недостатка жидкого 3Не. Во-первых, его теплота парообразования меньше, чем у жидкого 4Не, см. рис. 2.5. Во-вторых, и это более важно, 3Не гораздо дороже, чем 4Не. Типичная цена 1 л газа составляет ~ 400 немецких марок (DM) или около 240 DM за 1 см3 жидкости (1л жидкого 4Не, купленного по коммерческим ценам стоит около 20 DM). Из-за такой высокой цены, которая является следствием дорогостоящего метода получения 3Не (разд. 2.3.1), использовать 3Не можно лишь в замкнутых газовых коммуникациях и криогенных системах, выполненных с отсутствием течей. Второе следствие дороговизны 3Не — никогда нельзя получить достаточное количество газа 3Не, чтобы его ожижать в технологически оправданных масштабах на ожижительных заводах. 3Не переходит из газообразного в жидкое состояние в криостате, где он будет использоваться для эксперимента, за счет теплового контакта с ванной жидкого 4Не при температуре, скажем, 1,3 К. Такая температура может быть получена в рефрижераторе непрерывного испарения 4Не, рассмотренного в разд. 5.2.4. Так как критическая температура 3Не составляет 3,3 К, газообразный 3Не будет конденсироваться на поверхностях, которые имеют более низкую температуру, если давление газа достаточно высокое.

Поскольку 3Не используется как хладагент в криостате с 4Не, то все узлы, охлаждаемые 3Не, должны быть окружены экранами, имеющими температуру 4 Не. Кроме того, все трубопроводы и провода, идущие к экспериментальному устройству, должны иметь сток тепла к ванне с 4Не. Поэтому передаваемое из внешнего мира тепло к узлам, находящимся ниже 1 К, должно поглощаться ванной с 4Не, имеющей существенно больший объем, а также большую теплоту испарения, чем ванна с 3Не. Тогда ванна с 3Не используется только для охлаждения от температуры ванны с 4Не до температуры, получаемой с помощью рефрижератора с 3Не. Во всяком случае, использование ванны с испаряющимся 3Не является самым простым способом получения температур между 0,3 и 1 К, и несколько производителей предлагают промышленные криостаты с 3Не. Более ранние обзоры по криостатам с 3Не можно найти в [6.1-15].