• Стандарт VXI
• Техника
• Программы
• Применение
• Библиотека

Жидкий гелий

В 1938 году Петр Леонидович Капица открыл одно из самых красивых явлений в физике – сверхтекучесть жидкого гелия, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течёт практически без трения.

Хейке Камерлинг-Оннес во время проведения своих опытов наблюдал необычную подвижность гелия, однако это было настолько неестественно, по его мнению, что интерпретация явления осталась последователям. В то же время целью его исследования оставались свойства материалов при низких температурах, а не свойства хладагента, поэтому прошло 30 лет, прежде чем открытие сверхтекучести состоялось.

В 1932 году Виллем Хендрик Кеезом (ученик Камерлинг-Оннес ) исследовал характер изменения теплоемкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 К медленный и плавный подъём теплоёмкости сменяется резким падением и кривая теплоёмкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоёмкости, присвоено условное название «λ». Более точное значение температуры в этой точке, установленное позднее – 2,172 К. В λ-точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия – одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причем без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Вследствие этого выше ?-точки гелий носит название He-I, а ниже лямбда-точки – He-II или сверхтекучий гелий. В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026 К. Сверхтекучий гелий относится к классу квантовых жидкостей, макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики.

He-I является обычной жидкостью, не имеющей аномалий и свойствах. Переход He-I в He-II сопровождается резким изменением свойств переноса. Жидкий гелий при температуре ниже точки обладает исключительно высокой способностью к переносу теплоты, значительной теплоемкостью и исчезающе малой (например, при протекании через узкую щель или капилляр) вязкостью. Одной из особенностей He-II является его довольно высокая сжимаемость.

Способность He-II сохранять жидкое состояние вплоть до абсолютного нуля температур позволяет использовать его как теплоноситель в системах охлаждения устройств, работающих при температурах ниже точки. Использование He-II в качестве хладагента в системах охлаждения сверхпроводящих обмоток имеет ряд преимуществ по сравнению с применением He-I. С одной стороны, снижение уровня температур позволяет увеличить критический ток сверхпроводника, с другой – сверхтекучий гелий имеет возможность проникнуть в мельчайшие межвитковые каналы и тем самым увеличивает эффективность охлаждения обмоток с весьма плотной упаковкой. Обладая высокой эффективностью теплопереноса по жидкости, He-II обеспечивает надежный тепловой контакт между элементами установки. Однако, применение He-II целесообразно лишь в случаях, когда заведомо известно, что не будет превышена критическая плотность теплового потока. В противном случае возникновение на поверхности сверхпроводника сухого пятна сопровождается более значительным ростом температуры, чем при охлаждении He-I.

В настоящее время для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды типа СТГ-10, СТГ-25 и СТГ-40 светло-серого цвета объёмом 10, 25 и 40 литров, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.




СТГ-40

Быстрый рост гелиевой криогеники реализовался в середине прошлого века с началом трех направлений развития [S.W. Van Sciver. Advances in Helium Cryogenics // Cryogenic Engineering: Fifty Years of Progress. – Springer, 2007. – P.161–178.]: 1. Развитие и возможное коммерческое использование ожижителя/рефрижератора гелия.
2. Быстрое расширение программы исследования космоса.
3. Открытие и технологическое производство сверхпроводящих материалов Nb3Sn и NbTi.


Развитие этих доминирующих направлений привело к современным развитым технологиям:
– большие, эффективные рекуперативные гелиевые рефрижераторные/ожижительные системы, главным образом для высокоэнергетических лаборатории физики (охлаждение сверхпроводящих магнитов в том числе и на Большом Андронном Коллайдере);
– большие, эффективные He-II криостаты для космических экспериментов;
– маленький регенеративный криокулер для охлаждения сверхпроводящих устройств.


В дополнение к трем главным технологиям криогеники гелия, обсужденным выше, есть много других важных аспектов в этой области:
– Маленький криокулер для применения в промежуточных температурных интервалах;
– Усовершенствования вращающейся машины для низкотемпературного гелиевых устройств;
– Производство криостатов для жидкого He-II;
– Охлаждение растворением 3He–4He;
– Магнитное охлаждение.


Таким образом, криогенная техника на гелиевом уровне температур предоставляет возможности для роста низкотемпературных систем от сверхпроводящих магнитов до экспериментальных исследований в космическом пространстве. А путь к этому проложил Хейке Камерлинг-Оннес более века тому назад.

Материал подготовлен Пузиной Ю.Ю.
Научные публикации. Молекулярно-кинетическая теория