Устройство для исследования физических свойств сверхтекучих растворов изотопов гелия Советский патент 1989 года по МПК G01N11/00 C01B23/00 

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 обеспечейия независимого регулирования ра бочих 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 Q, который создает противоток сверхтекучей и нормальной компонент жидкости, причём атомы Не движутся только вместе с нормальной компонентой в сторону более низкой температуры под действием разности давлений. Возникающий при этом стационарньш перепад давлений Р описывается формулой

Р Z.V

(1)

где Z - импеданс капилляра;

Ч - вязкость жидкости;

VV - объемная скорость нормальной компоненты, связанная с О соотношением

q ST Vr,/a,(2)

где S - энтропия жидкого гелия

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

F

где (Р,Т,х) - химический потенци-

ал в растворе.

Стационарное состояние сверхтекучего раствора определяется условием

Ду t о(4)

Для двух сообщающихся сосудов со сверхтекучим раствором с температурами If и Т , давлениями Р и Р , концентрациями х. и х условие (4) эквивалентно f4I

Р, -(Т ,X )-Р (Т, ) Р, -л(Т, ,х)-Р (Тг) - (5) .

где Pg - Р( разность давлений определяется соотношением (О

j .

PjC (Т)/ JS dT - давление фонтанирования;

/Г.(Т,х) / осмотическое давление;

f. и S - плотность и энтропия чистого ,

Поскольку обычно РЗ-Р/ мало, то условие (5) принимает вид ;Т(Т,х)+Р. (Т-) Ят,х,)+Р(Т,) (6 Согласно этому условию за счет изменения температуры в одном из резервуаров должны измениться давления П и Pf и концентрация раствора.

Характерные значения л (х,Т) и Р,(Т) приведены в следующей таблице.

Наличие измерительной камеры обе печивает независимое регулирование температуры и концентрации исследуемого раствора. Благодаря связи упра ляющей и измерительной камер включение и выключение HarpeiTaTenH управляющей камеры прекращает или возобновляет процесс изменения концентрации. - Наличие хладопровода между уп

5

0

5

0

35

40

45

50

55

равляющей камерой и ступенью предва- рит ельного 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 . было разместить в ней все необходимые для исследований датчики,

Расширение диапазона рабочих температур обеспечивается. тепловь1М 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 обеспечивае.т уменьшение теплопри- тока 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 термомет- ром 3, соединенную хладопроводом 4 с ступенью предварительного охлаждения 5 источника холода, В качестве источника холода может быть применен рефрижератор 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 1 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 исходНОИ концентрацией х

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 измерительной камере условия еще не изменились. Следовательно, возникает разность давлений между управляющей и измерительной камерами. Эта разность заставляет Не течь из управляющей камеры в измерительную, так что осмотическое давление в измерительной камере растет, а в управляющей падает. Когда сумма осмотического и фон14692926

При необходи- ровании соотношения .Не и Не и при

любой самой низкой температуре, достигаемой современш-,1ми криогенньгми методами.

Формула изобретения

1, Устройство для исследования 10 физических свойств, сверхтекл чих растворов изотопов гелия, содержащее управляющую камеру с нагревателем, термометром к капилляром, источник холода, включающий ступени предваритель- 15 ного охлаж дения и предельного охлаждения, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства за счет обеспечения независимого регулирова-.

танного давлений в обеих камерах ста-20 ния температуры и концентрации раст- нут одинаковыми, достигается новое вора и расширения диапазона рабочих

температур в сторону абсолютного нуля, оно дополнительно содержит измерительную камеру, находящуюся в -25 тепловом контакте со ступенью предельного охлаждения и соединенную капилляром с управляющей камерой, причем управляющая камера соединена со ступенью предварительного охлажравновесие, причем равновесные концентрации Не в камерах 1 и 7 определяются формулой (6) при известных температурах камер и исходной концент рации Xj.

Для уменьшения концентрации Не в измерительной камере уменьшают мощтемператур в сторону а нуля, оно дополнительн мерительную камеру, на -25 тепловом контакте со с дельного охлаждения и капилляром с управляющ причем управляющая кам со ступенью предварите

ность нагревателя 2, при этом хладопров.од 4 способствует быстрому охлаж-30 дения хладопроводом.

2. Устройство по п.

дению управляющей камеры и достижению нового равновесного распределения концентраций.

Если хладопровод выполнить в виде сверхпроводящего Теплового ключа, то 35 быстродействие устройства дополнительно повысится, поскольку ключ в нормальном состоянии обеспечивает теп- лосопротивление не менее чем в 10 раз меньшее по сравнению с теплосопротив- 40 лением хладопровода без теплового ключа. В сверхпроводящем состоянии тепловой ключ наоборот обеспечивает 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 сверхтеку- 50 чих растворов в широком интервале концентраций при непрерывном регуличающееся тем, капилляра имеют не мен такта со ступенями охл

3. Устройство по п. чающееся тем, вод выполнен в В1ще св теплового ключа.

Формула изобретения

1, Устройство для исследования физических свойств, сверхтекл чих растворов изотопов гелия, содержащее управляющую камеру с нагревателем, термометром к капилляром, источник холода, включающий ступени предваритель- ного охлаж дения и предельного охлаждения, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства за счет обеспечения независимого регулирова-.

ния температуры и концентрации раст- вора 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 п.

I , о т л и - чающееся тем, что участки капилляра имеют не менее одного контакта со ступенями охлаждения.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что хладопровод выполнен в В1ще сверхпроводящего теплового ключа.

2йШ 3

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 хла- допроводом с первой ступенью предварительного охлаждения. Капилляр соединяет управляющую камеру с измерительной камерой, находящейся в теп- ловом 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