Лабораторен семинар по нискотемпературно инженерство 2008 г. - страница 4
В научни лаборатории за измерване на нивото на течен хелий
в криостатите се използват електрически нивомери: резистивни и капацитивни (фиг. 2.7, а и б). Принципът на действие на резистивния нивомер се основава на разликата в съпротивлението на потопената част
в течната и в газовата фаза. Особено добри резултати се получават, когато чувствителният елемент е свръхпроводник с критична температура малко над 4,2 K (при
например тантал). Недостатъкът на такъв нивомер е високата мощност, която се отделя върху чувствителния елемент в нормално състояние. Капацитивният нивомер е лишен от този недостатък, който е метална тръба с отвори, вътре в която е опъната нишка по оста. Тъй като течността и газът имат
но имат различна диелектрична проницаемост, капацитета на такива
цилиндричен кондензатор ще варира в зависимост от нивото на течността. Някои недостатъци от използването му
нивомер са, че температурното свиване, т.е. промяната в размерите на кондензатора води до промяна в капацитета от същия ред, както при изливане на хелий. Този недостатък може да бъде намален чрез използване на материал с нисък коефициент на топлинно разширение (например Invar).
По време на съхранение на хелий в съдове на Дюар, както и по време на изследване в криостати, изпарението на течния хелий се дължи на притока на топлина. При оценката на скоростта на изпаряване на хелий трябва да се разграничат два крайни случая. В първия случай топлината се подава към съда (криостат) отвън и отива както за изпаряване на течността, така и за увеличаване на енталпията на получения газ. Във втория случай, когато топлината се прилага директно към течността(например се освобождава от частта на устройството, потопена в хелий), след което отива само за изпаряване на течността. При такива условия
много повече течен хелий се изпарява, отколкото в първия случай.
Експериментално количеството изпаряващ се хелий може да се определи с помощта на електрически нивомери, но е по-точно и удобно да се направи това с промишлени газомери.
Описание на експерименталната постановка
На фиг. 2.8 показва функционална схема на инсталацията за определяне на топлината на изпаряване на хелий и топлинната мощност, подадена към изследователския криостат.
Хелиевият криостат 1 съдържа електрически нагревател 2 с променлива и известна мощност и капацитивен нивомер 3. Изходът на хелиевия контейнер на криостата е свързан с газомер 4, който показва количеството газ, преминало през него. Нагревателят е свързан към източник на захранване 5, чийто ток се променя с помощта на компютър 6 . Напрежението се подава към компютъра чрез преобразувател (ADC) от нагревателя. Чрез промяна на тока на нагревателя и измерване на количеството изпарен хелий е възможно да се определи топлината на изпаряване на течен хелий от зависимостта на скоростта на изпарение от входящата мощност.
1. Избройте основните свойства на течния хелий като охлаждаща течност
2. Какви термодинамични газови процеси се използват
в завод за течен хелий?
3. Колко литра течен хелий са необходими за охлаждане на 1 kg мед от стайна температура до температура на хелий, ако приемем, че охлаждането става само поради изпаряване на хелий?
4. Как се измерва нивото на течността в устройствата с хелий?
5. Как може да се определи експериментално топлината на изпаряване на хелия?
6. При каква мощност на нагревателя е необходимоопределяне на топлината на изпаряване на хелия?
1. Налейте течен хелий в криостата.
2. Измерете количеството изпарен хелий за определеното от учителя време.
3. Разделяйки обема на газа по време, определете скоростта на изпарение
4. След като зададете четирите текущи стойности в компютърната програма, извършете четири измервания на скоростта на изпарение.
5. Начертайте графика на зависимостта на скоростта на изпарение на хелия от вложената мощност.
6. Използвайки метода на най-малките квадрати, начертайте права линия през всички точки.
7. Определете топлината на изпаряване на течен хелий и мощността, подадена към хелия. Сравнете със стойността на таблицата.
Списък на препоръчителната литература
1. Фастовски В.Г., Петровски Ю.В., Ровински А.Е. Криогенна технология. Москва: Енергия, 1974.
2. Хафер Р. Криовакуумна технология. Москва: Енергоатомиздат,
3. Барън Р.Ф. криогенни системи. Москва: Енергоатомиздат,
ЛАБОРАТОРНА РАБОТА 3 СВОЙСТВА НА ХЕЛИЯ В ТЕМПЕРАТУРНИЯ ИНТЕРВАЛ 4,2 - 1,5 K
Цел: да се изследват свойствата на течния хелий и методите за получаване на температури под 4,2 К
Известни са два типа системи, притежаващи свръхпроводимост: свръхпроводящо състояние на металите и свръхтечна фаза на течен хелий (само изотопът 4He може да премине в тази фаза). Още преди създаването на микроскопичната теория на свръхпроводимостта се разбираше, че свръхпроводимостта и свръхфлуидността са макроскопични прояви на един и същ квантов ефект: следователно образуването на течен хелий е интересно не само като източник на ниски температури, при които е възможно свръхпроводящо състояние, но и като квантова система, която има редица уникални свойства, някои от които са подобни на тези на свръхпроводниците.
Физични свойства на течния хелий
Фигура 3.1 показва фазатадиаграма на тежък изотоп 4 He. От фигурата може да се види, че има две течни фази, HeI и HeII, и че нискотемпературната течна фаза се разпространява при нормално налягане до абсолютни нулеви температури. Високотемпературната фаза на HeI се държи като обикновена течност. Напротив, поведението на HeII се определя от неговата свръхфлуидност. Съществуването на HeII в течно състояние при абсолютна нула показва доминиращата роля на квантовите нулеви вибрации на неговите атоми, които предотвратяват втвърдяването. Лекият изотоп 3He в течната фаза не проявява свръхфлуидност, поне при температури над 0,003 K. Тъй като атомите 3He са фермиони, а атомите 4He са бозони, става ясно, че свръхфлуидността е следствие от фазовия преход HeI-HeII, ясно проявяващ се като логаритмична сингулярност в топлинния капацитет при температурата на прехода, открита от Keeso.
mom и Clausius и именувани (според формата на кривата, фиг. 3.2). Топлопроводимостта се увеличава рязко, а вискозитетът пада почти до нула. По-нискотечният хелий може да се представи като състоящ се от два компонента: нормален - с плътност ρ n и свръхтечен - с плътност ρ s . Съотношението ρ s /ρ s +ρ n се променя от единица при T=0 до нула в λ-точката. И двата компонента могат да се движат с различни скорости
и , а в случай, че няма въртеливо движение във течността, няма триене между компонентите. Нормалният компонент се държи като обикновена течност с вискозитет Pa s и носи цялата ентропия на системата. Свръхфлуидният компонент, като идеална течност, няма вискозитет, но за разлика от
Последното му движение е безвъртеливо ( 0 ) независимо от началните условия и циркулацията на неговата скорост по всеки контур във течността се квантува:
където m е масата на атома 4He. Като резултатвихрови нишки с нормално ядро се появяват във въртящ се HeII, подобно на вихрите в свръхпроводниците тип II. Свръхфлуидността на HeII е следствие от особената форма на енергийния спектър на неговото възбуждане.
E ( ), което се определя от образуването на бозе-кондензат и отблъскване между хелиевите атоми (фиг. 3.3).
Използвайки законите за запазване на енергията и импулса за взаимодействие на течност с препятствие (например със стените на капиляр), може да се покаже, че генерирането на възбуждания се оказва не-