низкие температуры

НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ (криогенные температуры) - обычно темп-ры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (ок. 80 К). Согласно рекомендации, принятой 13-м конгрессом Междунар. ин-та холода (1971), криогенными темп-рами следует называть темп-ры ниже 120 К.
Получение Н. т. Для получения и поддержания Н. т. обычно используют сжиженные газы (хладагенты). В сосуде Дьюара, содержащем сжиженный газ, испаряющийся под атм. давлением, достаточно хорошо поддерживается пост. темп-pa Т_н кипения хладагента. Практически применяют след. хладагенты, воздух 80 К), азот (Т_н = 77,4 К), неон (Т_н = 27,1 К), водород (Т_н = 20,4 К), гелий (Т_н = 4,2 К). Для получения жидких газов служат спец. установки - ожижители, в к-рых сильно сжатый газ при расширении до обычного давления охлаждается и конденсируется (см. Джоуля - Томсона эффект].
Откачивая испаряющийся газ из герметизпр. сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью и тем самым понижать темп-ру её кипения. Естеств. или принудит. конвекция и хорошая теплопроводность хладагента обеспечивают при этом однородность темп-ры во всём объёме жидкости. Таким путём удаётся перекрыть широкий диапазон темп-р: от 77 до 63 К при помощи жидкого азота, от 27 до 24 К - жидкого неона, от 20 до 14 К - жидкого водорода, от 4,2 до 1 К - жидкого гелия. Методом откачки нельзя получить темп-ру ниже тройной точки хладагента. При более низких темп-pax вещество затвердевает и теряет свои качества хладагента. Промежуточные темп-ры, лежащие между указанными выше интервалами, достигаются спец. методами. Охлаждаемый объект теплоизолируют от хладагента, помещая его, напр., внутрь вакуумной камеры, погружённой в сжиженный газ. При небольшом контролируемом выделении теплоты в камере (в ней имеется электрич. нагреватель) темп-pa исследуемого объекта повышается по сравнению с темп-рой кипения хладагента и может поддерживаться с высокой стабильностью на требуемом уровне. В др. способе получения промежуточных темп-р охлаждаемый образец помещают над поверхностью испаряющегося хладагента и регулируют скорость испарения жидкости нагревателем. Отвод теплоты от исследуемого объекта здесь осуществляет поток испаряющегося газа. Применяется также метод охлаждения, при к-ром холодный газ, получаемый при испарении хладагента, прогоняется через теплообменник, находящийся в тепловом контакте с охлаждаемым объектом.
Гелий при атм. давлении остаётся жидким вплоть до абс. нуля темп-ры (см. Гелий жидкий). Однако при откачке паров жидкого ⁴Не (природного изотопа гелия) обычно не удаётся получить темп-ру существенно ниже 1 К, даже применяя очень мощные насосы (этому мешают чрезвычайно малая упругость насыщ. паров ⁴Не иего сверхтекучесть). Откачкой паров изотопа ³Не (Т_н= = 3,2 К) удаётся достичь темп-р ~ 0,3 К. Область темп-р ниже 0,3 К наз. сверхнизкими темп-рами. Методом адиабатич. размагничивания парамагн. солей (см. Магнитное охлаждение)удаётся достичь темп-р ~10^-3К. Тем же методом с использованием ядерного парамагнетизма в системе атомных ядер были достигнуты темп-ры ~10^-6 К. Принципиальную проблему в методе адиабатич. размагничивания (как, впрочем, и в др. методах получения Н. т.) составляет осуществление хорошего теплового контакта между объектом, к-рый охлаждают, и охлаждающей системой. Особенно это трудно достижимо в случае системы атомных ядер. Совокупность ядер атомов можно охладить до сверхнизких темп-р, но добиться такой же степени охлаждения вещества, содержащего эти ядра, не удаётся.
Для получения темп-р порядка неск. мК широко пользуются более удобным методом - растворением жидкого ³Не в жидком ⁴Не. Применяют для этой цели рефрижераторы растворения (см. Крuocmam). Их действие основано на том, что ³Не сохраняет конечную растворимость (ок. 6%) в жидком ⁴Не вплоть до абс. нуля темп-ры. Поэтому при соприкосновении почти чистого жидкого ³Не с разбавленным раствором ³Не в ⁴Не атомы ³Не переходят в раствор. При этом поглощается теплота растворения и темп-pa раствора понижается. Растворение осуществляется в одном месте прибора (в камере растворения), а удаление атомов ³Не из раствора путём откачки - в другом (в камере испарения). При непрерывной циркуляции ³Не, осуществляемой системой насосов и теплообменников, можно поддерживать в камере растворения темп-ру 10 - 30 мК неограниченно долго. Гелий ³Не можно охладить ещё сильнее, используя Померанчука эффект .Жидкий ³Не затвердевает при давлении более 3 х 10⁶ Па. В области темп-р ниже 0,3 К увеличение давления (в пределе до 3,4 х 10⁶ Па) сопровождается поглощением теплоты и понижением темп-ры равновесной смеси жидкой и твёрдой фаз (затвердевание идёт с поглощением теплоты). Этим методом были достигнуты темп-ры ~1 - 2 мК.
Измерение Н. т. Первичным прибором для измерения термодинамич. темп-ры вплоть до 1 К служит газовый термометр. Др. вариантами первичного термометра являются акустич. и шумовой термометры, действие к-рых основано на связи термодинамич. темп-ры соответственно со значением скорости звука в газе и с интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрич. цепи. Первичные прецизионные термометры используют в осп. для определения темп-р легко воспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (т. н. репериых точек), к-рые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы (МПТШ-68).
Для измерения темп-ры от 630,74 °С до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью ~ 0,001 К служит платиновый термометр сопротивления. МПТШ-68 пока не продлена ниже 13,8 К ввиду отсутствия в этой области Н. т. вторичного термометра, не уступающего по чувствительности, точности и воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления при более высоких темп-pax. В диапазоне 0,3 - 5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщ. паров p_sгелия от темп-ры, устанавливаемой газовым термометром. Эта зависимость была принята в качестве междунар. температурной шкалы в области 1,5 - 5,2 К (шкала ⁴Не, 1958) и 0,3 - 3,3 К (шкала ³Не, 1962). Зависимость p_s (Т)в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитич. ф-лой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения температуры до тысячной доли К.
В области Н. т. для целей практич. термометрии применяют гл. обр. термометры сопротивления (до 20 К - медный; в области водородных и гелиевых темп-р вплоть до 1 мК - угольные, сопротивление к-рых возрастает при понижении темп-ры). Для измерения темп-ры ниже 100 К применяют также термометры сопротивления из чистого германия.
Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения термодинамич. темп-ры в этой области используют методы магнитной термометрии и ядерные методы. В основе ядерных методов измерения Н.т. лежит принцип квантовой статистич. физики, согласно к-рому равновесная заселённость дискретных уровней энергии системы зависит от темп-ры. В одном из таких методов измеряются интенсивности линий ядерного магнитного резонанса, определяемые разностью заселённостей уровней энергии ядер в магн. поле; в др. методе - зависящее от темп-ры отношение интенсивностей компонентов, на к-рые расщепляется линия резонансного гамма-излучения (см. Мёссбауэровская спектроскопия)во внутр. магн. поле ферромагнетика.
Аналогом термометрии по давлению насыщенных паров в области сверхнизких температур является измерение температуры в диапазоне 30 - 100 мК по осмотическому давлению ³Не в смеси ³Не - ⁴Не. Абсолютная точность измерений - ок. 2 мК при чувствительности осмотич. термометра ~ 0,01 мК.

Физика Н. т. Применение Н. т. сыграло важную роль в изучении конденсир. состояния вещества. Особенно много новых фактов и закономерностей было открыто при изучении свойств разл. веществ при гелиевых темп-pax. Это привело к выделению спец. раздела физики - физики Н.т. При понижении темп-ры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, к-рые при обычных темп-pax вуалируются тепловым движением атомов.
Благодаря значит. подавлению теплового движения атомов при Н. т. удалось обнаружить большое число макроскопич. явлений, имеющих квантовую природу: существование гелия в жидком состоянии вплоть до абс. нуля темп-ры (0К), сверхтекучесть, сверхпроводимость и др. При Н. т. состояние твёрдого тела можно рассматривать как упорядоченное состояние, соответствующее ОК, но с учётом влияния "газа" элементарных возбуждений - квазичастиц. Введение разл. типов квазпчастиц (фононы, дырки, магноны и др.) позволяет описать многообразие свойств веществ при Н. т.
Охлаждение до сверхнизких темп-р применяется в ядерной физике, напр. для создания мишеней и источников с поляризов. ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц.

Технические применения Н. т. Одна из гл. областей применения Н. т. в технике - разделение газов. Произ-во кислорода и азота в больших кол-вах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификац. колоннах. Н. т. используют для получения высокого вакуума методом адсорбции на активиров. угле или цеолите (адсорбц. насос) или непосредственно конденсацией паров на металлич. стенках сосуда с хладагентом (крионасос). Охлаждение до темп-р жидкого воздуха или азота находит применение в медицине (лечение мозговых опухолей, консервация живых тканей). Широко применяются Н. т. в электронике и радиотехнике для подавления аппаратурных шумов.

Лит.: Физика низких температур, пер. с англ., М., 1959; Справочник по физико-техническим основам криогеники, под ред. М. П. Малкова, 3 изд., М., 1985; Линтон Э., Сверхпроводимость, пер. с англ., 2 изд., М., 1971; Роуз-Инс А., Техника низкотемпературного эксперимента, пер. с англ., М., 1966; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; Лоунасмаа О. В., Принципы и методы получения температур ниже 1 К, пер. с англ., М., 1977; Капица П. Л., Научные труды. Физика и техника низких температур, М., 1989.

И. П. Крылов.