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超低温技术

更新时间:2012-03-13      点击次数:1770

获得接近于零度低温的技术。C.von林德zui先利用节流膨胀的焦耳汤姆孙效应,制成空气液化机(空气中氮的临界温度为126.2K,氧的临界温度为154.8K)。并于1895年创办了大型液化空气工厂,1898年H.卡末林昂内斯以液态空气预冷氢,利用焦耳汤姆孙效应使氢气液化(氢的临界温度为33.3K)。1908年昂内斯用液氢作预冷使zui难液化的氦液化(氦的临界温度为5.3K)。1934年P.卡皮察制成了不需液氢只用液氮预冷的氦液化机。液氦在 1大气压的沸点为4.2K,用减压蒸发法可得0.5K以下的低温。进一步降低温度的主要方法有:

顺磁盐绝热去磁  顺磁盐中磁性离子周围是非磁性离子和结晶水,磁距间的作用很小,在绝热去磁的起始温度(~1K)下各磁矩的取向作无规分布。加外磁场后顺磁盐波磁化,各磁矩作有序排列,熵减小。在绝热条件下撤去外磁场,磁矩恢复混乱排列,磁矩的熵增加,但绝热过程总熵不变,故晶格振动的熵减小,表现为温度下降。绝热去磁时先将顺磁盐用液氦预冷,加外磁场使之磁化,磁化热被液氦吸收,然后在绝热条件下去磁,可产生明显的致冷效果。绝热去磁法分别由W.F.吉奥克和P.J.W.德拜于1926年独立地提出,1933年吉奥克在实验上获得成功。绝热去磁法可得几mK的低温,60年代以前一直是获得这一量级低温的*方法。此法的缺点是不能连续工作,致冷能力较低。常用顺磁盐有铬钾钒(CPA)等。

稀释致冷机 1956年H.伦敦zui先提出稀释致冷机的原理,1965年*台稀释致冷机诞生,它是利用3He-4He混合液的性质设计的致冷机。3He和4He的混合液在0.87K以上温度时是*互溶的溶液,在0.87K以下时发生相分离,即分成含3He较多的浓相和含3He较少的稀相两部分,两者间构成一界面,浓相浮于稀相之上。当3He原子从浓相通过界面进入稀相时,类似于普通液体通过液面蒸发成气体,要吸热致冷。进入稀相的3He原子通过循环系统重新回到浓相。稀释致冷机结构简单可靠,致冷能力强,可长时间连续工作,可得稳定的可调节的超低温,这是传统的顺磁盐绝热去磁法所*的,现已获广泛应用。用此法得到的zui低温度为1.5mK。

坡密朗丘克致冷 温度在0.32K以下时,液态3He的熵比固态3He的熵要小,因而加压发生液-固相变时要吸热,从而达到致冷效果。此法由I.Y.坡密朗丘克于1950年提出,1965年实验成功。此法常在稀释致冷机的基础上使用,可达到的极限低温为1mK。1972年在此低温附近发现了3He的超流新相(见液态氦)。

核绝热去磁  原子核的自旋磁矩比电子自旋磁矩要小得多,故原子核磁矩间的相互作用也比电子磁矩间的相互作用弱得多。直到mK温度范围,核磁矩仍然是混乱取向,因而可用核绝热去磁法使核系统降温。通常以稀释致冷机预冷,用超导磁体产生强磁场,使核自旋磁化,再绝热去磁。此法由C.J.戈特和N.库尔蒂分别于1934年和1935年提出,1956年库尔蒂成功地使金属铜的核自旋温度冷却到16μK。后来用二级核绝热去磁使核自旋温度达到50nK(5×10-8K)的极低温,*次观察到铜中核磁矩的自发反铁磁排列。物质内部的热运动包括核自旋运动、晶格振动和自由电子运动,3种运动对内能都有贡献,在较高温度时3种运动间的能量交换迅速,可处于热平衡状态,可用同一温度来描述。在极低温度下,三者间的能量交换较慢,不能很快建立热平衡,故应区分与不同运动相的温度。与核自旋运动相的温度称为核自旋温度。核绝热去磁只能降低核自旋温度。尽管核自旋温度已降到50nK量级,但晶格温度可能仍为mK量级。

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