Устройство для исследования физических свойств сверхтекучих растворов изотопов гелия

 

Изобретение относится к технике физического эксперимента при низ-- ких температурах. Целью его является повышение функциональных возможностей за счет обеспечения непрерывного регулирования температуры и концентрации раствора, расширение диапазона рабочих температур в сторону абсолютного нуля. Устройство содер-- жит управляющую камеру с нагревателем и термометром, соединенную хладопроводом с первой ступенью предварительного охлаждения. Капилляр соединяет управляющую камеру с измерительной камерой, находящейся в тепловом контакте со ступенью предельного охлаждения 8. При включении нагревателя увеличивается давление в управляющей камере за счет роста осмотического и фонтанного давлений. Возникающая разность давлений между управляющей и измерительной камерами заставляет Ие течь из управляющей камеры в измерительн тб. Когда сумма осмотического и фонтанного давлений в обеих камерах становится одинаковой , наступает равновесие, и в камере измерения получают новую концентрацию раствора.- Для уменьшения концентрации Не в измерительной камере уменьшают нагрев камеры, при этом хладопровод способствует быстрому ее охлаждению и достижению нового равновесного распределения концентраций. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл. « (Л о со 1C (X) кэ

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

1ДП 4 G 01 11 1/28

/ „

/, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4260593/31-25 (22) 11.05.87 (46) 30,03,89, Бюл, 11 - 12 (71) Физико-технический институт низких температур (72) A,À..Голуб, В,А 11ихеев, Э.Я.Рудавский и В,К.Чаговец (53) 536,6(088.8) (56) Есельсон Б.Н., Григорьев В.Н., Иванцов В.1". и др. Растворы квантовых жидкостей lie- :e. M. Наука, 1973, с. 12, Betts D.S, Refrigeration and Thermometry below one Kelvin Printed in

Great Brition by Redwood Burn Ltd

Trombridge 8 London, 1976, р.183, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВЕРХТЕКУЧИХ РАСТВОРОВ ИЗОТОПОВ ГЕЛИЯ (57) Изобретение относится к технике физического эксперимента при низких температурах. Целью его является повышение функциональных возможностей за счет обеспечения непрерывного регулирования температуры и концентрации раствора, расширение диапазона рабочих температур в сторону

Изобретение относится к технике физического эксперимента при низких температурах и может быть использовано для исследования свойств сверхтекучих растворов изотопов гелия в широком. интервале температур и концентраций.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устрой-, ства за счет обеспечения независимоабсолютного нуля. Устройство сорер - " жит управляющую камеру с нагревателем и термометром, соединенную хладопроводом с первой ступенью пред— варительного охлаждения. Капилляр соединяет управляющую камеру с измерительной камерой, находящейся в тепловом контакте со ступенью предельного охлаждения 8. При включении нагревателя увеличивается давление в управляющей камере за счет роста осмотического и фонтанного давлений.

Возникающая разность давлений между управляющей и измерительной камерами

3 заставляет Не течь из управляющей камеры в измерительную. Когда сумма осмотического и фонтанного давлений в обеих камерах становится одинако.вой, наступает равновесие, и э камере измерения получают новую концентрацию раствора. Для уменьшения концентрации Не в измерительной камере уменьшают нагрев камеры, при этом хладопровод способствует быстрому ее охлаждению и достижению нового равновесного распределения концентраций, 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

2 го регулирования рабочих температур в сторону абсолютного нуля.

Достижение положительного эффекта основывается на следующем. При. включении нагревателя управляющей ка° меры через поперечное сечение,а капилляра проходит тепловой поток который создает противоток сверхтекучей и нормальной компонент жидкости, причем атомы Не движутся только вмесз 1469292 4 те с нормальной компонентой в сторону более низкой температуры под действием разности давлений. Возникающий при этом стационарный перепад давлений P описывается формулой

P = Z V (1) где 7. — импеданс капилляра; вязкость жидкости9 объемная скорость нормальной компоненты, связанная с (} соотношением

ST Vq /a, (2) где S — энтропия жидкого гелия.

Сверхтекучая компонента может при- 15 ходить в движение не только под действием градиента давления. Ускорение ее определяется силой

F (3) где (Г,Т,х) - химический потенциал "Не в растворе, Стационарное состояние сверхтеку. чего раствора определяется условием а,/ — 0 (4)

Для двух сообщающихся сосудов со 25 сверхтекучим раствором с температурами Т и Т,, давлениями P и Р концентрациями х и х условие (4) эквивалентно 1"41 а>xi) 30 где P — P разность давлений определяется соо сношением (1); т

Р T)= f ) Б dT — давление фонтанирования

Jl (т, X) =J3 1dp — осмготмоесаое давление; и S — плотность и энтропия чис 1 того Не.

Поскольку обычно P -P мало, то условие (5) принимает вид

Л (Т х )+Р (Т )= (Т х„,)+Р (Тд) (6)

Согласно этому условию за счет изменения температуры в одном из резервуаров должны измениться давления П и Р„ и концентрация раствора.

Характерные значения л (х,Т) и

Р (Т) приведены в следующей таблиУ це.

Наличие измерительной камеры обеспечивает независимое регулирование температуры и концентрации исследуемого раствора. Благодаря связи управляющей и измерительной камер включе55 ние н выключение нагревателя управляющей камеры прекращает или возобновляет процесс изменения концентрации. ° Наличие хладопровода между упм равляющей камерой и ступенью предвае рительного охлаждения обеспечивает возможность быстрого охлаждения управляющей камеры при выключении нагревателя. Выполнение хладопровода в виде сверхпроводящего теплового ключа позволяет дополнительно повысить быстродействие устройства. Расширение диапазона исследуемых свойств растворов связано с тем, что размер измерительной камеры можно выбрать таким, чтобы можно было разместить в ней все необходимые для исследований датчики °

Расширение диапазона рабочих температур обеспечивается тепловым контактом измерительной камеры с источником низкой температуры. Таким образом, температура исследуемого раствора может быть как угодно низкой, такой, какую может дать источник низких температур.

Наличие тепловых контактов между участками капилляра и последующими ступенями предварительного охлаждения обеспечивает уменьшение теплопритока к измерительной камере по капилляру, что способствует достижению в ней возможных низких температур.

На чертеже приведена схема предложенного устройства.

Устройство содержит управляющую камеру с нагревателем 2 и термометром 3, соединенную хладопроводом 4 с ступенью предварительного охлаждения

5 источника холода, В качестве источника холода может быть применен реф3 Ф рижератор растворения Не- Не. Тогда первой ступенью предварительного охлаждения является его камера испарения. Для повышения быстродействия устройства в качестве хладопровода может быть применен сверхпроводящий тепловой ключ, Капилляр 6 соединяет управляющую камеру с измерительной камерой 7, находящейся в тепловом контакте со ступенью предельного охлаждения 8 (камерой растворения рефрижератора растворения) ° Хладопровод 9, связанный с капилляром 6, обеспечивает тепловой контакт со ступенями промежуточного охлаждения 10 (теплообменники рефрижератора растворения), Устройство работает следующим образом.

Камеры 1 и 7 заполняют сверхтекучим раствором изотопов гелия с исходметодами.

Т, К Р, торр

Л, торр з х= ) 7 Не, х=57 Не

5 1469 ной концентрацией х ° При необходио

3 мости повысить концентрацию Не в измерительной камере 1 включают нагреватель 2, и температура управляющей камеры растет, При этом в начальный момент увеличивается давление в этой камере за счет роста как фонтанного, так и осмотического давления, в то время как в измеритель-. 10 ной камере условия еще не изменились.

Следовательно, возникает разность давлений между управляющей и измерительной камерами, Эта разность заставляет Не течь из управляющей ка- 15

9 меры в измерительную, так что осмотическое давление в измерительной камере растет, а в управляющей падает, Когда сумма осмотического и фонтанного давлений в обеих камерах ста- 20 нут одинаковыми, достигается новое равновесие причем равновесные концентрации Не в камерах 1 и i опредеЯ

7 ляются формулой (6) при известных температурах камер и исходной концент рации х

З

Для уменьшения концентрации Не в измерительной камере уменьшают мощность нагревателя 2, при этом хладопровод 4 способствует быстрому охлаж- З0 дению управляющей камеры и достижению нового равновесного распределения концентраций.

Если хладопровод выполнить в виде сверхпроводящего теплового ключа, то 3В быстродействие устройства дополнительно повысится, поскольку ключ в нормальном состоянии обеспечивает теплосопротивление не менее чем в 10 раз меньшее по сравнению с теплосопротив- 40 пением хладопровода без теплового ключа, В сверхпроводящем состоянии тепловой ключ наоборот обеспечивает

292 6 ровании соотношения Не и Не и при любой самой низкой температуре, достигаемой современными криогенными

Ф о р м у л а и з о б р е тенин

1, Устройство для исследования физических свойств сверхтекучих растворов изотопов гелия, содержащее управляющую камеру с нагревателем, термометром и капилляром, источник холода, включающий ступени предварительного охлаждения и предельного охлаждения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства за счет обеспечения независимого регулирова-, ния температуры и концентрации раствора и расширения диапазона рабочих температур в сторону абсолютного нуля, оно дополнительно содержит измерительную камеру, находящуюся в тепловом контакте со ступенью предельного охлаждения и соединенную капилляром с управляющей камерой, причем управляющая камера соединена со ступенью предварительного охлаждения хладопроводом.

2. Устройство по и. I, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что участки капилляра имеют не менее одного контакта со ступенями охлаждеHHsi.

3. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что хлацопровод выполнен в виде сверхпроводящего теплового ключа.

50 теплосопротивление не менее чем в

10 раз большее по сравнению с тепло- 45 сопротивлением хладопровода без теплового ключа.

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность исследования широкого диапазона свойств сверхтекучих растворов в широком интервале концентраций при непрерывном регули0,05

0,1

0,2

0,4

0,7

1,0

1,2

1,5

1,2.

1,9.

3,0

0,04

0,45

2,75

9,57

46,3

)0 1,46

10 2,44

10 4,58

7 7,00

15,7

22,4

26,9

33,6

10,3

13,7

22,6

43,2

75,6

108,4

130,5

163,7

14Ü9292

Составитель В.Филатова

Редактор В.Ковтун Техред Л.Сердюкова Корректор И.Шароши

Заказ 134б/44 Тираж 788 Подписное

ВНИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101