РАЗДЕЛ 2
УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕРХТЕКУЧИХ РАСТВОРОВ
3Не - 4Не ПРИ СВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
В данном разделе описана экспериментальная база, разработанная и созданная во ФТИНТ НАН Украины, для изучения свойств сверхтекучих растворов 3Не - 4Не в области температур ниже 0,5 К. Основным элементом этой базы является рефрижератор растворения, который в стационарном состоянии при непрерывном режиме работы позволяет проводить физические исследования вплоть до 40 мК. Существенной особенностью реализованного рефрижератора является возможность непрерывной работы в течение сколь угодно длительного времени.
Наряду с получением сверхнизких температур, важной задачей является корректное измерение данной температуры, её стабилизация и передача холода от камеры растворения к исследуемому объекту. Основным термометром, используемым в экспериментах в данной работе, был кристаллизационный термометр, основанный на измерении давления на кривой плавления 3Не. Кроме того, распределение температуры в различных частях рефрижератора контролировалось многочисленными термометрами сопротивления, а для калибровочных измерений использовались конденсационные термометры с 4Не и 3Не. Успешному проведению сложных и трудоёмких измерений способствовала созданная система автоматического сбора и обработки экспериментальных данных.
2.1 Рефрижератор растворения для физических исследований
Для получения сверхнизких температур в работе использовался модернизированный рефрижератор растворения 3Не - 4Не с внешним циклом циркуляции [81], схематично представленный на рис. 2.1. Рефрижератор был смонтирован в стандартном криостате 1 с азотным охлаждением. В рефрижераторе использовались три ступени охлаждения, разделённые между собой тепловыми развязками, для уменьшения теплопритока на более холодный уровень.
Рис.2.1 Схема рефрижератора растворения 3Не - 4Не. 1 - криостат; 2 - внешняя ванна; 3- вакуумная рубашка; 4 - камера испарения 4Не (градусная камера); 5- труба откачки градусной камеры; 6 - фильтр заборника; 7 - вакуумированный капилляр; 8 - дроссель градусной камеры; 9- камера испарения 3Не; 10 - камера растворения; 11 - непрерывный теплообменник "трубка в трубке"; 12 - кристаллизационный термометр 3Не камеры растворения; 13 - 14 - камеры ячейки для исследования акустических свойств; 15 - ячейка для исследований явлений переноса; 16- конденсационный термометр 3Не; 17, 18 - термометры криостата;19- непрерывный емкостной уровнемер.
Первой ступенью служила ванна 2 с жидким 4Не при температуре 4,2 К, все остальные низкотемпературные узлы находились внутри вакуумной рубашки 3. Второй ступенью охлаждения была одноградусная камера 4, которая представляла собой миниатюрный криостат испарения с 4Не непрерывного действия [82]. Она была выполнена в виде тороидальной полости прямоугольного сечения внутри медной плиты одноградусной камеры (на рисунке показано сечение). В ходе работы одноградусная камера заполняется жидким 4Не из внешней ванны при температуре 4,2 К через заборную трубку 7 с фильтром 6 и дроссель 8, и затем пар над жидким 4Не откачивается через трубку 5 (диаметром 6 мм) специальным внешним механическим насосом.
Самой холодной частью рефрижератора являлась последняя, третья ступень охлаждения, основанная на растворении 3Не в 4Не с внешней циркуляцией 3Не [83]. Она состоит из камеры испарения 9, камеры растворения 10 и системы теплообменников 11.
Камера испарения 9 представляла собой цилиндрическую камеру, диаметром 55 мм и высотой 8 мм в медном корпусе, снабжённую диафрагмой в тракте откачки в верхней части камеры для подавления сверхтекучей плёнки, возникающей во время работы.
В данном варианте рефрижератора использовался простейший теплообменник типа "трубка в трубке", представлявший собой коаксиально расположенные две металлические трубки различных диаметров длиной 90 см; для удобства весь теплобменник был навит спиралью диаметром 55 мм. Внутренняя трубка для выходящей из камеры растворения жидкости, представляла собой медный отожжённый капилляр диаметром 1,2 мм, помещённый внутрь нержавевеющий трубки диаметром 4 мм, при этом в кольцевом зазоре между трубками проходил поток возвратной жидкости.
Камера растворения представляла собой тороидальную полость с наружным диаметром 58 мм, и внутренним диаметром 36 мм высотой 23 мм. На дне камеры был напрессован спечённый теплообменник для уменьшения граничного сопротивления между жидкостью и твёрдым телом.
2.2 Система коммуникаций
Циркуляцию, хранение хладагентов и контроль над работой рефрижератора обеспечивали внешние системы коммуникаций. Они состоят из трёх герметичных систем, соответствующих трём ступеней охлаждения - система откачки 4Не, система циркуляции раствора и система испарения 4Не из внешней ванны, связанная с газгольдером.
К первой системе относятся коммуникации откачки градусной камеры и герметичный насос 2НВР5ДМ, обеспечивавший низкое давление над жидкостью градусной ванны. Механический насос обеспечивал остаточный вакуум в системе 10 -3 мм ртутного столба и имел производительность 4 л/с при данном давлении.
Функция второй системы - обеспечение циркуляции и хранения раствора 3Не-4Не рефрижератора, её схема показана на рис. 2.2. Циркуляция осуществлялась с помощью откачки из камеры испарения 10 герметичными насосами -форвакуумным Н2 и диффузионным Н1. Насос Н2, НВГ-2, обеспечивал остаточный вакуумом в системе ~ 5?10-2 мм рт. ст. производительностью ~ 0,4 л/с при данном давлении.
Для дальнейшего охлаждения использовался насос Н1, ртутный диффузионный ДРН-50, обеспечивающий большую производительность при низком давлении Р?10-3, особенностью которого является способность работать с невысоким вакуумом на выхлопе.
Третья система выполняла функцию сбора испаряющегося 4Не в общий газгольдер. К той системе были подсоединены внешняя ванна 2 и выхлоп насоса градусной ванны 4. В системе, как и в газгольдере, автоматически поддерживалось небольшое избыточное давле