НИЗКИЕ

НИЗКИЕ

ТЕМПЕРАТУРЫ (криогенныетемпературы) - обычно темп-ры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха(ок. 80 К). Согласно рекомендации, принятой 13-м конгрессом Междунар. ин-тахолода(1971), криогенными темп-рами следует называть темп-ры ниже 120 К.
Получение Н. т. Для получения и поддержанияН. т. обычно используют сжиженные газы (хладагенты). В сосуде Дьюара, содержащемсжиженный газ, испаряющийся под атм. давлением, достаточно хорошо поддерживаетсяпост. темп-pa Т _н кипения хладагента. Практическиприменяют 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 охлаждаетсяи конденсируется (см. Джоуля - Томсона эффект].
Откачивая испаряющийся газ из герметизпр. <сосуда, можно уменьшать давление над жидкостью и тем самым понижать темп-руеё кипения. Естеств. или принудит. конвекция и хорошая теплопроводностьхладагента обеспечивают при этом однородность темп-ры во всём объёме жидкости. <Таким путём удаётся перекрыть широкий диапазон темп-р: от 77 до 63 К припомощи жидкого азота, от 27 до 24 К - жидкого неона, от 20 до 14 К - жидкоговодорода, от 4,2 до 1 К - жидкого гелия. Методом откачки нельзя получитьтемп-ру ниже тройной точки хладагента. При более низких темп-paxвещество затвердевает и теряет свои качества хладагента. Промежуточныетемп-ры, лежащие между указанными выше интервалами, достигаются спец. методами. <Охлаждаемый объект теплоизолируют от хладагента, помещая его, напр., внутрьвакуумной камеры, погружённой в сжиженный газ. При небольшом контролируемомвыделении теплоты в камере (в ней имеется электрич. нагреватель) темп-paисследуемого объекта повышается по сравнению с темп-рой кипения хладагентаи может поддерживаться с высокой стабильностью на требуемом уровне. В др. <способе получения промежуточных темп-р охлаждаемый образец помещают надповерхностью испаряющегося хладагента и регулируют скорость испарения жидкостинагревателем. Отвод теплоты от исследуемого объекта здесь осуществляетпоток испаряющегося газа. Применяется также метод охлаждения, при к-ромхолодный газ, получаемый при испарении хладагента, прогоняется через теплообменник, <находящийся в тепловом контакте с охлаждаемым объектом.
Гелий при атм. давлении остаётся жидкимвплоть до абс. нуля темп-ры (см. Гелий жидкий). Однако при откачкепаров жидкого ⁴ Не (природного изотопа гелия) обычно не удаётсяполучить темп-ру существенно ниже 1 К, даже применяя очень мощные насосы(этому мешают чрезвычайно малая упругость насыщ. паров ⁴ Не иегосверхтекучесть). Откачкой паров изотопа ³ Не ( 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^-3 К. <Тем же методом с использованием ядерного парамагнетизма в системе атомныхядер были достигнуты темп-ры ~10^-6 К. Принципиальную проблемув методе адиабатич. размагничивания (как, впрочем, и в др. методах полученияН. т.) составляет осуществление хорошего теплового контакта между объектом, <к-рый охлаждают, и охлаждающей системой. Особенно это трудно достижимов случае системы атомных ядер. Совокупность ядер атомов можно охладитьдо сверхнизких темп-р, но добиться такой же степени охлаждения вещества, <содержащего эти ядра, не удаётся.
Для получения темп-р порядка неск. мКшироко пользуются более удобным методом - растворением жидкого ³ Нев жидком ⁴ Не. Применяют для этой цели рефрижераторы растворения(см. Кpuocmam). Их действие основано на том, что ³ Несохраняет конечную растворимость (ок. 6%) в жидком ⁴ Не вплотьдо абс. нуля темп-ры. Поэтому при соприкосновении почти чистого жидкого ³ Нес разбавленным раствором ³ Не в ⁴ Не атомы ³ Непереходят в раствор. При этом поглощается теплота растворения и темп-paраствора понижается. Растворение осуществляется в одном месте прибора (вкамере растворения), а удаление атомов ³ Не из раствора путёмоткачки - в другом (в камере испарения). При непрерывной циркуляции ³ Не, <осуществляемой системой насосов и теплообменников, можно поддерживать вкамере растворения темп-ру 10 - 30 мК неограниченно долго. Гелий ³ Неможно охладить ещё сильнее, используя Померанчука эффект. Жидкий ³ Незатвердевает при давлении более 3 х 10⁶ Па. В области темп-рниже 0,3 К увеличение давления (в пределе до 3,4 х 10⁶ Па) сопровождаетсяпоглощением теплоты и понижением темп-ры равновесной смеси жидкой и твёрдойфаз (затвердевание идёт с поглощением теплоты). Этим методом были достигнутытемп-ры ~1 - 2 мК.
Измерение Н. т. Первичным прибором дляизмерения 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 созначением скорости звука в газе и с интенсивностью тепловых флуктуацийнапряжения в электрич. цепи. Первичные прецизионные термометры используютв осп. для определения темп-р легко воспроизводимых фазовых равновесийв однокомпонентных системах (т. н. репериых точек), к-рые служат опорнымитемпературными точками Международной практической температурной шкалы (МПТШ-68).
Для измерения темп-ры от 630,74 °С до13,81 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, точностии воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления приболее высоких темп-pax. В диапазоне 0,3 - 5,2 К низкотемпературная термометрия основанана зависимости давления насыщ. паров p_s гелия от темп-ры, <устанавливаемой газовым термометром. Эта зависимость была принята в качествемеждунар. температурной шкалы в области 1,5 - 5,2 К (шкала ⁴ Не,1958) и 0,3 - 3,3 К (шкала ³ Не, 1962). Зависимость p_s (Т )в этих температурных диапазонах не может быть представлена простойаналитич. ф-лой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точностьопределения температуры до тысячной доли К.
В области Н. т. для целей практич. термометрииприменяют гл. обр. термометры сопротивления (до 20 К - медный; в областиводородных и гелиевых темп-р вплоть до 1 мК - угольные, сопротивление к-рыхвозрастает при понижении темп-ры). Для измерения темп-ры ниже 100 К применяюттакже термометры сопротивления из чистого германия.
Ниже 1 К газовым термометром пользоватьсяпрактически нельзя. Для определения термодинамич. темп-ры в этой областииспользуют методы магнитной термометрии и ядерные методы. В основеядерных методов измерения Н. <т. лежит принцип квантовой статистич. физики, <согласно к-рому равновесная заселённость дискретных уровней энергии системызависит от темп-ры. В одном из таких методов измеряются интенсивности линий ядерногомагнитного резонанса, определяемые разностью заселённостей уровнейэнергии ядер в магн. поле; в др. методе - зависящее от темп-ры отношениеинтенсивностей компонентов, на к-рые расщепляется линия резонансного гамма-излучения(см. Мёссбауэровская спектроскопия )во внутр. магн. поле ферромагнетика.
Аналогом термометрии по давлению насыщенныхпаров в области сверхнизких температур является измерение температуры вдиапазоне 30 - 100 мК по осмотическому давлению ³ Не в смеси ³ Не .⁴ Не. <Абсолютная точность измерений - ок. 2 мК при чувствительности осмотич. <термометра ~ 0,01 мК.

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

Технические применения Н. т. Однаиз гл. областей применения Н. т. в технике - разделение газов. Произ-вокислорода и азота в больших кол-вах основано на сжижении воздуха с последующимразделением его в ректификац. колоннах. Н. т. используют для получениявысокого вакуума методом адсорбции на активиров. угле или цеолите(адсорбц. насос) или непосредственно конденсацией паров на металлич. стенкахсосуда с хладагентом (крионасос). Охлаждение до темп-р жидкого воздухаили азота находит применение в медицине (лечение мозговых опухолей, консервацияживых тканей). Широко применяются Н. т. в электронике и радиотехнике дляподавления 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 низкотемпературногоэксперимента, пер. с англ., М., 1966; Мендельсон К., На пути к абсолютномунулю, пер. с англ., М., 1971; Лоунасмаа О. В., Принципы и методы получениятемператур ниже 1 К, пер. с англ., М., 1977; Капица П. Л., Научные труды. <Физика и техника низких температур, М., 1989.

И. П. Крылов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.