9.4 Парамагнитные соли и магнитные рефрижераторы

Режим работы магнитного рефрижератора определяется, главным образом, начальными экспериментальными условиями (Bi ,Тi), теплопритоками (разд. 10.5) и свойствами выбранной парамагнитной соли. Получение типичных начальных условий для парамагнитного охлаждения, Bi = 0,1 ÷ 1 Тл , Тi = 0,1 ÷ 1 К, в настоящее время весьма доступно. При этих условиях возможно большое уменьшение энтропии (рис. 9.1).

Не будем здесь обсуждать магнитные и электрические взаимодействия парамагнитных ионов в солях; они изложены в [9.3,5]. В общем, парамагнитный хладагент, соль, для достижения большой холодопроизводительности должен иметь низкую температуру магнитного упорядочения Тc и большую магнитную теплоемкость, а это означает, что необходим большой угловой момент J (рис. 3.10). Температура упорядочения Тc определяется взаимодействиями между магнитными моментами.

Парамагнитные соли, пригодные для магнитного охлаждения, должны содержать ионы только с частично заполненными электронными оболочками, т.е. либо переходные 3d элементы, либо редкоземельные 4f элементы. Ниже приведены четыре парамагнитных вещества, которые часто используются для магнитного охлаждения в так называемой "высокотемпературной области" и в "низкотемпературной области" (здесь Тc — приблизительная температура магнитного упорядочения).

Их энтропийные кривые показаны на рис. 9.2.

температурные зависимости энтропии (делённой на газовую постоянную r) четырёх солей, пригодных для парамагнитного размагничивания в нулевом поле и в поле 2 тл

Все эти соли содержат много кристаллизационной воды, которая обеспечивает большое расстояние (около 10 А в ЦМН) между магнитными ионами и, следовательно, низкую температуру магнитного упорядочения. Подробности о свойствах этих и других солеи можно найти в [9.1-3,5-7].

Благодаря слабым взаимодействиям между достаточно отдаленными и хорошо заэкранированными ионами Се3+ в ЦМН [9.6], что приводит к малому внутреннему полю b и низкой температуре упорядочения Тc (рис. 9.1), эта соль за последние два-три десятилетия стала довольно популярна как в качестве хладагента, так и для целей термометрии (разд. 12.8). Ее электронное основное состояние — дублет с эффективным спином 1/2 при Т < 1 К. ЦМН широко использовал Уитли с сотр. [9.7,8] для охлаждения жидкого 3Не до ~ 2 мК. Такая низкая конечная температура оказалась возможной благодаря магнитной связи между ядерными моментами 3Не и электронными моментами Се, которая сильно понижает тепловое граничное сопротивление (разд. 4.3.2). Можно получить даже более низкие температуры, используя ЛЦМН — соль, в которой магнитные ионы Се частично заменены немагнитными ионами лантана [9.9-11]. Такое разбавление, конечно, также уменьшает холодопроизводительность. ЦМН и ЛЦМН — соли с наинизшей, как известно в настоящее время, температурой электронного магнитного упорядочения. Сочетание небольшого рефрижератора растворения и ступени магнитного охлаждения с ЦМН или ЛЦМН при начальном поле около 1 Тл является подходящим и не очень дорогим устройством для исследования 3Не. Использование ЦМН и ЛЦМН в магнитной термометрии см. в разд. 12.8.