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超低溫技術(shù)

更新時間:2012-03-13      點擊次數(shù):1975

獲得接近于零度低溫的技術(shù)。C.von林德zui先利用節(jié)流膨脹的焦耳湯姆孫效應(yīng),制成空氣液化機(空氣中氮的臨界溫度為126.2K,氧的臨界溫度為154.8K)。并于1895年創(chuàng)辦了大型液化空氣工廠,1898年H.卡末林昂內(nèi)斯以液態(tài)空氣預(yù)冷氫,利用焦耳湯姆孫效應(yīng)使氫氣液化(氫的臨界溫度為33.3K)。1908年昂內(nèi)斯用液氫作預(yù)冷使zui難液化的氦液化(氦的臨界溫度為5.3K)。1934年P(guān).卡皮察制成了不需液氫只用液氮預(yù)冷的氦液化機。液氦在 1大氣壓的沸點為4.2K,用減壓蒸發(fā)法可得0.5K以下的低溫。進一步降低溫度的主要方法有:

順磁鹽絕熱去磁  順磁鹽中磁性離子周圍是非磁性離子和結(jié)晶水,磁距間的作用很小,在絕熱去磁的起始溫度(~1K)下各磁矩的取向作無規(guī)分布。加外磁場后順磁鹽波磁化,各磁矩作有序排列,熵減小。在絕熱條件下撤去外磁場,磁矩恢復(fù)混亂排列,磁矩的熵增加,但絕熱過程總熵不變,故晶格振動的熵減小,表現(xiàn)為溫度下降。絕熱去磁時先將順磁鹽用液氦預(yù)冷,加外磁場使之磁化,磁化熱被液氦吸收,然后在絕熱條件下去磁,可產(chǎn)生明顯的致冷效果。絕熱去磁法分別由W.F.吉奧克和P.J.W.德拜于1926年獨立地提出,1933年吉奧克在實驗上獲得成功。絕熱去磁法可得幾mK的低溫,60年代以前一直是獲得這一量級低溫的*方法。此法的缺點是不能連續(xù)工作,致冷能力較低。常用順磁鹽有鉻鉀釩(CPA)等。

稀釋致冷機 1956年H.倫敦zui先提出稀釋致冷機的原理,1965年*臺稀釋致冷機誕生,它是利用3He-4He混合液的性質(zhì)設(shè)計的致冷機。3He和4He的混合液在0.87K以上溫度時是*互溶的溶液,在0.87K以下時發(fā)生相分離,即分成含3He較多的濃相和含3He較少的稀相兩部分,兩者間構(gòu)成一界面,濃相浮于稀相之上。當(dāng)3He原子從濃相通過界面進入稀相時,類似于普通液體通過液面蒸發(fā)成氣體,要吸熱致冷。進入稀相的3He原子通過循環(huán)系統(tǒng)重新回到濃相。稀釋致冷機結(jié)構(gòu)簡單可靠,致冷能力強,可長時間連續(xù)工作,可得穩(wěn)定的可調(diào)節(jié)的超低溫,這是傳統(tǒng)的順磁鹽絕熱去磁法所*的,現(xiàn)已獲廣泛應(yīng)用。用此法得到的zui低溫度為1.5mK。

坡密朗丘克致冷 溫度在0.32K以下時,液態(tài)3He的熵比固態(tài)3He的熵要小,因而加壓發(fā)生液-固相變時要吸熱,從而達(dá)到致冷效果。此法由I.Y.坡密朗丘克于1950年提出,1965年實驗成功。此法常在稀釋致冷機的基礎(chǔ)上使用,可達(dá)到的極限低溫為1mK。1972年在此低溫附近發(fā)現(xiàn)了3He的超流新相(見液態(tài)氦)。

核絕熱去磁  原子核的自旋磁矩比電子自旋磁矩要小得多,故原子核磁矩間的相互作用也比電子磁矩間的相互作用弱得多。直到mK溫度范圍,核磁矩仍然是混亂取向,因而可用核絕熱去磁法使核系統(tǒng)降溫。通常以稀釋致冷機預(yù)冷,用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強磁場,使核自旋磁化,再絕熱去磁。此法由C.J.戈特和N.庫爾蒂分別于1934年和1935年提出,1956年庫爾蒂成功地使金屬銅的核自旋溫度冷卻到16μK。后來用二級核絕熱去磁使核自旋溫度達(dá)到50nK(5×10-8K)的極低溫,*次觀察到銅中核磁矩的自發(fā)反鐵磁排列。物質(zhì)內(nèi)部的熱運動包括核自旋運動、晶格振動和自由電子運動,3種運動對內(nèi)能都有貢獻(xiàn),在較高溫度時3種運動間的能量交換迅速,可處于熱平衡狀態(tài),可用同一溫度來描述。在極低溫度下,三者間的能量交換較慢,不能很快建立熱平衡,故應(yīng)區(qū)分與不同運動相的溫度。與核自旋運動相的溫度稱為核自旋溫度。核絕熱去磁只能降低核自旋溫度。盡管核自旋溫度已降到50nK量級,但晶格溫度可能仍為mK量級。

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