Искусство криогеники. Низкотемпературная техника в физическом эксперименте, промышленных и аэрокосмических приложениях

Г. ВЕНТУРА, Л. РИЗЕГАРИ
ИСКУССТВО  
КРИОГЕНИКИ

Перевод с английского 
под редакцией  Л.П. Межова-Деглина

2011

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕХНИКА  
В ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ, ПРОМЫШЛЕННЫХ  
И АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЯХ

Г. Вентура, Л. Ризегари
Искусство криогеники. Низкотемпературная техника в физическом эксперименте, промышленных и аэрокосмических приложениях.  Пер. с англ.:
Учебносправочное руководство / Г. Вентура, Л. Ризегари – Долгопрудный:
Издательский Дом «Интеллект», 2011. – 336 с.

ISBN 9785915590402

Физика и техника низких температур – неотъемлемая составляющая фундаментальной науки (от физики твердого тела до ускорителей элементарных частиц), ракетной
техники, новейших индустриальных и даже медицинских технологий.
Книга о новейших достижениях в этих областях с позиций экспериментальной техники создана известными итальянскими специалистами. Руководство содержит как базовые сведения о свойствах материалов при низких температурах, традиционных приборах и методах измерений, так и о последних разработках, использовании новых конструкционных материалов и практике работы с криостатами растворения, продвижении в область миллии микрокельвинов.
Отдельные главы посвящены сверхпроводящим магнитам и экранам, измерению тепловых и механических характеристик, криогенным детекторам излучения.
Для студентов и преподавателей физических факультетов и технических университетов, научных работников и инженеровразработчиков.

© 2008, Elsevier Ltd. All rights reserved
© 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект»,
перевод на русский язык, оригиналмакет,
оформление

Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского
Фонда Фундаментальных Исследований по проекту № 090207040

ISBN 9785915590402

ISBN 9780080444796 (англ.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10

Предисловие редактора перевода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11

Ч а с т ь I

Глава 1. Вакуумная техника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
1.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
1.2. Давление насыщенных паров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.3. Средняя длина свободного пробега молекул и вязкость . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.4. Течение газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.4.1. Проводимость отверстия и трубопровода для молекулярного течения . . .
19
1.4.2. Проводимость отверстий и трубопроводов для вязкостного режима откачки
20
1.5. Откачка больших объемов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
1.6. Вакуумные насосы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.6.1. Пластинчато-роторный механический насос с масляным уплотнением . .
22
1.6.2. Бустерные насосы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
1.6.3. Спиральные насосы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
1.6.4. Сорбционные насосы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
1.6.5. Масляные диффузионные насосы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
1.6.6. Турбомолекулярные насосы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
1.6.7. Молекулярные насосы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
1.7. Другие вакуумные узлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
1.8. Измерители давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
1.8.1. Измерители полного давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
1.8.2. Манометр Мак-Леода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
1.8.3. Пружинный манометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
1.8.4. Мембранный манометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
1.8.5. Вакуумметры теплопроводности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
1.8.6. Ионизационные вакуумметры с нитью накала. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
1.8.7. Вакуумметры с холодным катодом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
1.9. Измерение парциальных давлений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
1.9.1. Течеискатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39

Ч а с т ь II

Глава 2. Криогенные жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
2.1. Криогеника: Введение и история . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41

Оглавление

2.2. Криогенные жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
2.2.1. Жидкий кислород и жидкий водород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
2.2.2. Жидкий азот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
2.2.3. Жидкий гелий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
2.2.4. Физика гелия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
2.2.4.1. Давление паров гелия и удельная теплота испарения . . . . . . . .
49
2.2.4.2. Теплоемкость гелия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
2.2.4.3. Явления переноса в жидком 4He: теплопроводность и вязкость .
54
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56

Глава 3. Свойства твердых тел при низких температурах . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.2. Молярная теплоемкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.3. Теплоемкость кристаллической решетки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
3.4. Электронная теплоемкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
3.5. Теплоемкость металлических сверхпроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
3.6. Магнитная теплоемкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
3.7. Теплоемкость аморфных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
3.8. Справочные данные по теплоемкости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
3.9. Тепловое расширение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
3.10. Теплопроводность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
3.10.1. Фононы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
3.10.2. Электронная теплопроводность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
3.11. Металлические сверхпроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
3.12. Справочные данные по теплопроводности при низких температурах . . . . . . . .
87
3.13. Закон Видемана–Франца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88

Глава 4. Перенос тепла и теплоизоляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
4.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
4.2. Выбор материалов с подходящей теплопроводностью . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
4.3. Тепловые ключи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
4.3.1. Газовые тепловые ключи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
4.3.2. Сверхпроводящие тепловые ключи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
4.3.3. Другие тепловые ключи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
4.4. Граничное тепловое сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104

Ч а с т ь III

Глава 5. Охлаждение до 0,3 К . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
108
5.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
108
5.2. Сосуды для хранения и перевозки криогенных жидкостей . . . . . . . . . . . . . .
109
5.3. Жидкий 4He в криостатах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
109
5.3.1. Фаза охлаждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
109
5.3.2. Хранение при постоянной температуре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
110
5.3.2.1. Теплоподвод по стенкам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
110
5.3.2.2. Радиационный теплоперенос . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
5.3.2.3. Теплоподвод по остаточному газу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113
5.3.2.4. Термоакустические колебания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113

Оглавление
5

5.4. Криостаты на основе 4He. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
5.4.1. Криостаты для T > 4,2 К . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
115
5.4.2. Криостаты для области температур 1,3 К < T < 4,2 К . . . . . . . . . . . . .
115
5.5. Криостаты с жидким 3He . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
5.5.1. Рефрижераторы с 3He и внутренним сорбционным насосом . . . . . . . . .
117
5.6. Вспомогательное оборудование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
119
5.6.1. Трубопроводы для жидкого азота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
119
5.6.2. Трубопроводы для 4He . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
119
5.6.3. Датчики уровня жидкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120
5.7. Механические рефрижераторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
121
5.7.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
121
5.7.2. Установки с противопоточными теплообменниками . . . . . . . . . . . . . . .
122
5.7.2.1. Перепад давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
5.7.2.2. Теплопередача . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
5.7.2.3. Эффективность и длина теплообменника . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
5.7.2.4. Конструкции теплообменников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124
5.7.2.5. Другие конструктивные особенности ожижителей . . . . . . . . . .
125
5.7.3. Гелиевый ожижитель Коллинза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
125
5.7.4. Цикл Клименко . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
126
5.7.5. Ожижители с турбодетандером . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128
5.7.6. Цикл Брайтона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128
5.7.7. Холодильные устройства, использующие регенеративные теплообменники
129
5.7.8. Цикл Филлипса–Стирлинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
129
5.7.9. Рефрижераторы Гиффорда–Макмагона (ГМ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
131
5.8. Рефрижераторы на импульсных трубках (ИТ-рефрижераторы, ИТР). . . . . . . .
132
5.8.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
132
5.8.2. Два метода сжатия газа в ИТР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
134
5.8.3. Упрощенный принцип действия ИТР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
135
5.8.4. Холодопроизводительность ИТР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
5.8.5. Многоступенчатые ИТР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
139
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
139

Глава 6. Рефрижераторы растворения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
142

6.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
142
6.2. Свойства жидкой смеси 3He и 4He . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
143
6.3. Классический РР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
145
6.4. Рефрижераторы растворения на основе эффекта Джоуля–Томсона . . . . . . . . .
151
6.5. Практические советы при работе с РР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
154
6.6. Рефрижераторы растворения для работы в сильных магнитных полях . . . . . .
155
6.7. «Сухие» РР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156
6.8. Использование РР в условиях невесомости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
157
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
157

Глава 7. Другие рефрижераторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
159

7.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
159
7.2. Рефрижераторы на основе эффекта Померанчука . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
159
7.2.1. Необычное поведение 3He . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
160
7.3. Рефрижераторы адиабатического размагничивания (АРР) . . . . . . . . . . . . . . .
163

Оглавление

7.4. Ядерное адиабатическое размагничивание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
165
7.5. Рефрижераторы с электронным охлаждением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
166
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
166

Ч а с т ь IV

Глава 8. Температурные шкалы и реперные точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
168

8.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
168
8.2. Эталонные реперные точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
170
8.3. Шкала МШТ-90 (ITS-90) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
172
8.4. Предварительная низкотемпературная шкала ПНТШ 2000 (PLTS 2000) . . . . .
175
8.5. Эталонные приборы для получения реперных температур NBS-SRM 767a, 768
и SRD 1000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
177
8.6. Приложение: таблица температур сверхпроводящих переходов; влияние примесей и магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
179
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
182

Глава 9. Низкотемпературная термометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
183

9.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
183
9.2. Газовая термометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
184
9.2.1. Газовые термометры постоянного объема (ГТПО) . . . . . . . . . . . . . . . .
184
9.2.2. Акустические газовые термометры (АГТ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
186
9.2.3. Термометры, основанные на измерении диэлектрической постоянной газа
(ГТДП) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
186
9.3. Термометры, основанные на измерении давления насыщенного пара . . . . . . . .
187
9.4. Термометрия, основанная на зависимости давления плавления 3He от температуры
189
9.5. Термопарные термометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
191
9.6. Резистивная термометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
192
9.6.1. Металлические резисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
192
9.6.2. Полупроводниковые и угольные термисторы. Термисторы на оксидах
металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
193
9.6.2.1. Резисторы из допированного германия . . . . . . . . . . . . . . . . . .
194
9.6.2.2. Угольные резисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
194
9.6.2.3. Толстопленочные RuO2-резисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
195
9.6.2.4. Резисторы из оксинитрида циркония . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
196
9.6.2.5. Контактные диоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
197
9.6.3. Типичные проблемы и ошибки в резистивной термометрии . . . . . . . . . .
197
9.7. Шумовая термометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
200
9.8. Емкостная термометрия, основанная на измерении диэлектрической проницаемости
201
9.9. Магнитная термометрия, основанная на зависимости восприимчивости парамагнитной соли от температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
203
9.10. Термометрия, основанная на измерении степени анизотропии γ-излучения радиоактивных ядер в магнитном поле (ядерный ориентационный термометр) . .
204
9.11. Магнитная термометрия, использующая ядерный парамагнетизм . . . . . . . . . .
207
9.12. Термометрия на кулоновской блокаде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
208
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
209

Глава 10. Оборудование для криогеники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
213

10.1. Магниты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
213

Оглавление
7

10.1.1. Сверхпроводящие магниты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
213
10.1.2. Провода для сверхпроводящих магнитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
214
10.1.3. Параметры магнитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
214
10.1.4. Режим незатухающего тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
215
10.1.5. Источники питания для магнитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
216
10.2. Радиочастотное экранирование и фильтрация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
216
10.2.1. Электрические и магнитные поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
216
10.2.2. Сверхпроводящие экраны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
217
10.2.3. Электромагнитные фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
217
10.3. Мосты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
218
10.4. Синхронный демодулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
219
10.5. Контроль температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
224
10.6. Малошумящие охлаждаемые усилители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
226
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
228

Ч а с т ь V

Глава 11. Измерения свойств твердых тел при низких температурах . . . . . . .
229
11.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
229
11.2. Измерения теплопроводности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
229
11.3. Измерение теплопроводности сплавов А6061-Т6 и А1050 в диапазоне температур 4,2–77 К . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
233
11.3.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
233
11.3.2. Эксперимент и результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
233
11.4. Теплопроводность меди при сверхнизких температурах. . . . . . . . . . . . . . . . .
236
11.4.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
236
11.4.2. Эксперимент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
236
11.4.3. Результаты измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
238
11.5. Измерения коэффициента теплопроводности торлона . . . . . . . . . . . . . . . . . .
240
11.5.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
240
11.5.2. Теплопроводность торлона 4203 в диапазоне температур 0,08–5 К . . . .
241
11.5.3. Теплопроводность торлона 4203 в диапазоне 4,2–300 К . . . . . . . . . . .
243
11.5.3.1. Сравнение мощности, подводимой к образцу, с паразитным теплоподводом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
246
11.5.3.2. Тепловые контакты к образцу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
246
11.5.3.3. Оценка погрешностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
247
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
247

Глава 12. Измерения теплоемкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
249

12.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
249
12.2. Методы измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
249
12.2.1. Техника тепловых импульсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
249
12.2.2. Калориметрия на переменном токе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
12.2.3. Метод релаксации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
12.2.4. Метод двойного наклона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251
12.2.5. Метод модуляции температуры термостата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
252
12.2.6. Ограничения методов измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
252
12.3. Пример «классической» установки для измерения теплоемкостей . . . . . . . . . .
252
12.4. Теплоемкость монокристалла TeO2 в температурном диапазоне 0,06–0,28 К . .
253

Оглавление

12.4.1. Тепловая связь между образцом и термостатом . . . . . . . . . . . . . . . . .
255
12.4.2. Измерения теплоемкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
256
12.4.3. Результаты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
257
12.5. Теплоемкость торлона в диапазоне 0,15–4,2 К . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
258
12.5.1. Методика эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
258
12.5.2. Результаты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
259
12.5.3. Обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
261
12.6. Измерение теплоемкости NTD Ge-терморезисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
262
12.6.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
262
12.6.2. Процесс приготовления NTD-термометров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
262
12.6.3. Методика эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
263
12.6.4. Результаты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
265
12.6.5. Обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
266
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
268

Глава 13. Измерения коэффициента теплового расширения . . . . . . . . . . . . .
270

13.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
270
13.2. Простой интерферометрический дилатометр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
271
13.3. Тепловое расширение торлона в диапазоне 4,2–295 К. . . . . . . . . . . . . . . . . .
273
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275

Глава 14. Практические, промышленные и космические применения
криогеники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
277

14.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
277
14.2. Применение криогенных жидкостей в промышленности и технике . . . . . . . . .
277
14.3. Биологические и медицинские приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
278
14.4. Космическая криогеника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
279
14.5. Охлаждаемая электроника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
282
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
284

Глава 15. Низкотемпературные детекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
286

15.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
286
15.2. Криогенные сенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
287
15.2.1. Резистивные сенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
288
15.2.1.1. NTD Ge-сенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
288
15.2.1.2. Электрические контакты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
289
15.2.1.3. Распад носителей (электрон–фонон) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
290
15.2.2. TES (сенсоры на ширине перехода) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
292
15.3. Примеры криогенных детекторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
294
15.3.1. Калориметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
294
15.3.2. Модель детектора CUORICINO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
294
15.4. Инфракрасные болометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
298
15.4.1. Упрощенный расчет отклика болометра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
300
15.4.1.1. Пример: конструкция и реализация инфракрасного болометра
для работы при температуре 0,4 К . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
301
15.4.1.2. Компоненты болометра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
302
15.4.1.3. Замечания об ИК-фильтрах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
303
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
304

Оглавление
9

Глава 16. Крупные криогенные эксперименты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
307

16.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
307
16.2. Гравитационные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
310
16.2.1. Детекторы гравитационных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
312
16.2.1.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
312
16.2.1.2. Массивные резонансные детекторы и резонансные преобразователи
313
16.3. Гравитационная антенна MiniGRAIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
315
16.3.1. Криогеника для MiniGRAIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
317
16.4. Нейтринная физика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
319
16.4.1. Эксперимент DBD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
320
16.5. Эксперимент CUORE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
321
16.6. CUORICINO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
325
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
329

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цель этой книги — обеспечить руководством физиков, химиков и инженеров,
желающих заняться физикой низких температур.
Книга состоит из шести частей: первая часть (гл. 1) кратко знакомит с вакуумной техникой, используемой в криогенном оборудовании. Во второй части
(главы 2–4) описываются низкотемпературные свойства жидкостей и твердых тел и
приводятся многочисленные экспериментальные данные. Третья часть (главы 5–7)
посвящена методам получения низких температур и физике, на которой они основаны. Четвертая часть (главы 8–10) посвящена метрологическим аспектам измерения температуры. В пятой частью подробно, на восьми примерах, описывается методика низкотемпературных измерений. С нашей точки зрения, до сих пор
не было книг подобной полноты охвата этой области физики и техники, которая
получила новый импульс развития в связи с появлением новых технологических
материалов. Шестая, последняя часть книги, включает главы 14–16, где приводятся
примеры приложения криогеники к различным областям и подробно описываются
два крупных криогенных эксперимента.
Содержание книги основано на курсе лекций (6 ч в неделю), который один из нас
(Г. Вентура) читал во Флорентийском университете с 2001 по 2006 гг. Основная задача авторов — дать достаточно полное практическое введение в криогенику. По этой
причине книга начинается с главы, посвященной вакуумной технике. Чтобы удержать объем книги в разумных рамках, мы не стали включать сюда аналогичную
главу, посвященную электронике. Некоторые из вопросов, связанных с этой темой,
кратко обсуждаются в гл. 10 четвертой части. Большинство измерений, описанных
в пятой части, было выполнено с использованием маломощных рефрижераторов
растворения. Это обстоятельство понудило авторов экспериментов подыскивать
оригинальные методики их проведения, которые подробно описаны в тексте. Мы не
стали приводить список поставщиков криогенного оборудования, как это делается
во многих книгах, поскольку подобную информацию нетрудно найти в Интернете.
Книга не претендует быть справочником по криогенике, некоторые материалы
просто цитируются, и далее мы отсылаем читателя к «классическим» учебникам.
Тем не менее в книге приведено несколько интересных примеров.
Мы глубоко признательны нашим коллегам и друзьям, которые тем или иным
способом способствовали появлению этой книги. Среди них мы особо хотим упомянуть Marco Barucci, Girgl Eska, Giorgio Frossati, Andrea Giuliani, Andrea Peruzzi
and Kurt Uhlig.
Особую признательность мы выражаем Иларии Перони (Ilaria Peroni) за множество полезных предложений и за конечную корректуру книги.

Г. Вентура и Л. Ризегари