Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Как работает система магнитного охлаждения

На рис. 7.4 такая система схематически показана в том несколько усовершенствованном виде, который она приобрела уже после первых опытов Джиока. Магнитная соль помещается в средней части сосуда Дьюара. В верхней, более широкой части сосуда находится ванна с жидким гелием, температура которого (например, 1K) поддерживается откачкой пара при соответствующем давлении. В нижней части сосуда расположена камера, в которой находится охлаждаемый объект.

Трубка с магнитной солью (например, сульфатом гадолиния) соединена наверху с гелиевой ванной полоской 5 сверхпроводящего металла и снизу другой полоской 6 с охлаждаемой камерой. Эти полоски называются "тепловыми ключами". Их действие основано на двух замечательных свойствах сверхпроводников; обнаруженных вскоре после их открытия.

Первое из них состоит в том, что металл, находящийся при температуре ниже критической, теряет сверхпроводяшие свойства, если на него наложить достаточно сильное внешнее магнитное поле; однако, если поле снять, сверхпроводимость восстанавливается. Вслед за этим проявилось связанное с первым и второе свойство: металл в сверхпроводящем состоянии резко уменьшает теплопроводность, по сравнению с той, которая характерна для него, когда сверхпроводимость нарушена. Например, свинец в сверхпроводящем состоянии имеет в десятки раз меньшую теплопроводность (при тех же прочих условиях), чем в случае, когда она разрушена магнитным полем.

Рис. 7.4. Установка для магнитного охлаждения: 1 - парамагнитная соль; 2 - сосуд Дьюара; 3 - жидкий гелий; 4 - охлаждаемый объект; 5, 6 - тепловые ключи; 7-9 - электромагниты

Эти свойства в полной мере использованы в описанной системе магнитного охлаждения. Вся она расположена между полюсами трех электромагнитов. Средний 8 предназначен для воздействия на рабочее тело - соль, верхний 7 и нижний 9 - на соответствующие тепловые ключи. При включении магнита 8 соль нагревается. В это время включается и нижний магнит 9. При этом "размыкается" нижний тепловой ключ, и нагрев соли не может повлиять на температуру объекта охлаждения. Верхний тепловой ключ остается "открытым", и тепло от нагретой соли передается через свинцовую полоску в ванну с жидким гелием. Затем, когда температуры соли и ванны сравняются, включается верхний магнит 7, прекращая тепловой контакт между ними. Одновременно выключается магнит 8, и соль вследствие размагничивания охлаждается. После этого нижний магнит 9 выключается, и камера 4 с объектом охлаждения вступает в тепловой контакт через свинцовую полоску (тепловой ключ 6). При этом камера охлаждается до температуры холодной соли. После того как тепловое равновесие устанавливается, цикл повторяется, и т.д. В результате тепло от холодной камеры постоянно передается в гелиевую ванну, а в камере устанавливается более низкая температура, чем в ванне. Температура гелия в ванне не меняется, так как подвод тепла к нему приводит только к испарению некоторой его части, что легко восполняется.

Магнитное охлаждение можно осуществлять и в две ступени используя верхнюю при получении более низкой исходной температуры для работы нижней. Таким путем были достигнуты низкие температуры, отстоящие от 0K меньше, чем на 0,01K.

Физики получили, наконец, средство, позволяющее изучать свойства веществ практически во всем диапазоне криотемператур. Исследования при этом шли в двух направлениях: изучались свойства твердых тел главным образом в связи со сверхпроводимостью, и жидкого гелия, в котором было открыто еще одно, еще более удивительное "сверхсвойство" - сверхтекучесть. На каждом из этих двух направлений неожиданных сюрпризов было более чем достаточно.

Начнем со свойств твердых тел. После открытия сверхпроводимости ртути и свинца начались поиски и других, новых сверхпроводников. Сверхпроводимость была обнаружена сначала у олова, индия, таллия и галлия, а затем в 20-е годы у тантала, ниобия, титана, тория и др. Критические температуры у них различны, но не превышают 10K.

Как и при всяком новом открытии, возникают два естественных желания – первое (у физиков) - найти объяснение, построив новую теорию или расширив старую, и второе (у инженеров) - использовать его для практических целей.

Г. Камерлинг-Оннес счастливо сочетал (что не так часто встречается) умение мыслить и как физик, и как инженер. Поэтому он сразу же подумал об использовании сверхпроводимости для того, чтобы создавать сильные магнитные поля, нужные для многих исследований (в особенности низкотемпературных). Обычные электромагниты с железным сердечником были громоздки и потребляли огромное количество электроэнергии, перегоняя ее в тепло, выделяющееёя в обмотке. Для отвода этого тепла нужно было много охлажающей воды. Сверхпроводящий магнит можно было бы запитать током только один раз, а эксплуатационные затраты свелись бы лишь к поддержанию уровня жидкого гелия. Но, поскольку сверхпроводящий магнит тепла не выделяет, это было бы не так сложно. Планы строились и дальше: на том же принципе можно было бы в дальнейшем создать трансформаторы, генераторы и другие электротехнические устройства.

Однако этим мечтам тогда не суждено было осуществиться. Оказалось, что сверхпроводник выдерживает только слабые токи (а следовательно, и магнитные поля). Если его нагружать током, превышающим определенное для каждой температуры значение, сверхпровохимость исчезает! Все многократные попытки получить практически пригодный сверхпроводящий магнит не увенчались успехом. На смену радужному оптимизму по поводу будущих сверхпроводящих устройств пришел почти черный пессимизм.

Тем не менее исследования сверхпроводников и других твердых тел при низких температурах продолжались и в Лейдене, и в новых центрах — Оксфорде, Кембридже, Торонто и Берлине. Через некоторое время к числу этих лабораторий присоединились и советские - сначала в Харькове (Украинской физико-технологический институт - УФТИ), а затем и в Москве (институт физических проблем - ИФП).

Следующая страница: 7.2. Становление и трудные пути советской криогеники