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

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Физика и техника низких температур (криогеника) в настоящее время быстро
развиваются. В дополнение к широкому использованию в фундаментальных и прикладных научных исследованиях криогенная техника находит применение в таких
практически важных областях, как энергетика и техника связи, авиация и космонавтика, биология и медицина. В предлагаемой книге излагаются физические
основы криогенной техники и приводится довольно большое количество сведений
о современных методах достижения низких температур, термометрии и свойствах
веществ при низких температурах, о конструкциях криостатов и технике экспериментов при низких и сверхнизких температурах. Поэтому эта книга будет полезна
как научным сотрудникам и инженерам, занятым разработкой и эксплуатацией
криогенного оборудования, так и студентам старших курсов и аспирантам технических вузов.
Как подчеркивают сами авторы, «данная книга не претендует быть справочником по криогенике, некоторые материалы просто цитируются», и далее читателя
отсылают к «классическим» учебникам, а при желании ознакомиться с новейшими
разработками в области криогенной техники авторы рекомендуют обратиться к
трудам современных международных конференций по физике низких температур и
криогенной технике. Следует отметить, что из-за многократного повышения цены
газообразного гелия 4Не в последние несколько лет проводятся интенсивные разработки конструкций холодильных установок замкнутого цикла, предназначенных
для достижения температур до 2 К без применения жидкого гелия. Планируется, в
частности, что новые промышленные образцы «безгелиевых рефрижераторов» будут широко представлены на ближайшей Международной конференции по физике
низких температур LT-26 в августе 2011 г. в Пекине.
К сожалению, в последние десятилетия оригинальная обзорная литература по
криогенике на русском языке на отечественном книжном рынке отсутствует, а многие из публикаций последних лет в отечественных журналах, например, в журнале
РАН «Приборы и техника эксперимента», издаваемом одновременно на русском
и английском языках, зарубежному читателю практически неизвестны. Это хорошо прослеживается по приводимым в книге литературным ссылкам. Поэтому я
посчитал полезным привести список дополнительной литературы, которая может
оказаться полезной заинтересованному читателю.
При подготовке и проведении низкотемпературных экспериментов исследователю необходимо решить пять, по крайней мере, основных задач: получение холода
на заданном температурном уровне и сохранение его в течение достаточно длительного промежутка времени, который диктуется поставленной задачей (например, в

Предисловие редактора перевода

телескопе, запущенном на космическую орбиту, жидкий гелий, который используют для охлаждения регистрирующей аппаратуры, должен сохраняться в специальном термоизолированном контейнере объемом около 2 м3 не менее двух лет);
далее, передача полученного холода рабочему образцу (детектору, например) и измерение температуры образца; и, наконец, проведение намеченного эксперимента.
В соответствии с этим первые 9 пунктов из приводимого списка — литература, в
которой обсуждают основные проблемы физики и техники низких и сверхнизких
температур. Далее следуют две публикации, посвященные описанию конструкции
современного портативного криостата растворения. В монографиях [11, 12] подобно
обсуждаются физические основы термометрии, современные температурные шкалы
и особенности методики измерений температуры при низких и сверхнизких температурах. В монографиях [14–19] содержатся сведения о свойствах жидких изотопов
гелия 4Не и 3Не и их смесей, о свойствах криокристаллов, а приведены также
хорошо аннотированные обзоры по теплопроводности твердых тел в широком интервале температур — от комнатных до сотых Кельвина. Монографии [20–22]
можно использовать в качестве введения в физику сверхпроводников. В частности, в монографии В. В. Шмидта изложены основы современных представлений
о сверхпроводимости, обсуждаются эффекты Джозефсона и работа сверхпроводящих квантовых интерферометров (сквидов). Следующие четыре книги [23–26] посвящены популярному изложению основных достижений физики низких температур и истории ее развития и рассчитаны, в основном, на студентов старших курсов,
аспирантов, а также молодых специалистов. Наконец, три последних [27–29] —
современные монографии по физике и технике низких температур.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Физика низких температур / Пер. с англ.; Под ред. А. И. Шальникова. — М.: ИЛ,
1959. — 937 с.
2. Малков М. П., Данилов И. Г., Зельдович А. Г., Фрадков А. Б. Справочник по физикотехническим основам глубокого охлаждения. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 432 с.
3. Беляков В. П. Криогенная техника и технология. — М.: Энергоиздат, 1982. — 272 с.
4. Архаров А. М., Беляков В. П., Микулин Е. И. и др. Криогенные системы. Учеб. для
вузов. — М.: Машиностроение, 1987. — 536 с.
5. Уайт Г. К. Экспериментальная техника в физике низких температур / Пер. с англ. —
М.: Физ-мат. лит., 1961. — 368 с.
6. Роуз–Инс А. Техника низкотемпературного эксперимента / Пер. с англ. — М.: 1966. —
216 с.
7. Лоунасмаа О. В. Принципы и методы получения температур ниже 1 К / Пер. с англ.;
Под ред. А. Б. Фрадкова. — М.: Мир, 1977. — 356 с.
8. Методы получения и измерения низких и сверхнизких температур. Справочник / Отв.
ред. Б. И. Веркин. — Киев: Наукова думка, 1987. — 197 с.
9. Побелл Ф. Вещества и методы при низких температурах / Пер. с англ.; Под ред.
В. А. Михеева и Э. Я. Рудавского. — Харьков: Изд-во «ФТИНТ», 1997. — 377 с.
10. Herrmann R., Офицеров А. В., Хлюстиков И. Н., Эдельман В. С. Портативный криостат
растворения // ПТЭ. — 2005. — №5. — С. 142–152.
11. Эдельман В. С. Погружной микрокриостат растворения // ПТЭ. — 2009. — №2. —
С. 159–165.

Предисловие редактора перевода
13

12. Вепшек Я. Измерение низких температур электрическими методами / Пер. с чеш.; Под
ред. М. Я. Аркина. — М.: Энергия, 1980. — 224 с.
13. Куинн Т. Температура / Пер. с англ.; Под ред. Д. Н. Астрова. — М.: Мир, 1985. —
448 с.
14. Есельсон Б. Н., Григорьев В. Н., Иванцов В. Г., и др. Растворы квантовых жидкостей
3Не–4Не. — М.: Наука, 1973. — 423 с.
15. Есельсон Б. Н., Григорьев В. Н., Иванцов В. Г., Рудавский Э. Я. Свойства жидкого и
твердого гелия. — М.: Изд-во стандартов, 1978. — 127 с.
16. Manzhelii V. G., Prokhvatilov A. I., Gavrilko V. G., and Isakina A. P. Structure and Thermodynamic Properties of Cryocrystals. — New-York: Begell House Inc., 1999. — 320 p.
17. Physics of cryocrystals / Ed. by Manzhelii Vadim G., Freiman Yuri A.; Engl. land. version
ed. by Klein Michael L., Maradudin A. — AIP press, 1997. — 691 p.
18. Thermal Conductivity of Solids at Room Temperatures and Below. A Review and Compilation of the literature. G. E. Childs, L. J. Erics, and R. B. Powell, NBS Monograph 131,
624 p., (1973).
19. Теплопроводность твердых тел. Справочник / Под ред. А. С. Охотина. — М.: Энергоиздат, 1984. — 321 с.
20. Линтон Э. Сверхпроводимость / Пер. с англ. — 2 изд. — М., 1971. — 250 с.
21. Роуз–Инс А., Родерик Е. Введение в физику сверхпроводимости / Пер. с англ. — М.:
Мир. 1972. — 272 с.
22. Шмидт В. В. Введение в физику сверхпроводников. — М.: Наука, 1982. — 215 с.; см.
также дополненные издания: М.: МЦНМО, 2000. 416 с; 2001. 393 с.
23. Мендельсон К. Физика низких температур / Пер. с англ. — М.: ИЛ, 1963. — 230 с.
24. Мендельсон К. На пути к абсолютному нулю: Введение в физику низких температур /
Пер с англ. — М.: Атомиздат, 1971. — 224 с.
25. Эдельман В. С. Вблизи абсолютного нуля. — М., Наука, 1983. — 176 с.
26. Shachtman T. Absolute Zero and the Conquest of Cold. — Boston: Houghton Mifflin Co.,
1999. — 261 p.
27. Richardson R. C., and Smith E. N. Experimental Techniques in Condensed Matter Physics
at Low Temperatures. — The Perseus Books Group, 1998. — 352 p.
28. White G. K. and Meeson P. J. Experimental Techniques in Low-Temperature Physics. —
Oxford University Press, 2002. — 250 p.
29. Ens Christian, and Hunklinger Siegfried. Low-Temperature Physics. — Berlin, Heidelberg:
Springer-Verlag, 2005. — 573 p.

Г Л А В А
1

ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА

1.1.
ВВЕДЕНИЕ

Вакуумные технологии являются необходимой составной частью криогеники. Их использование связано, например, с устранением конвективных течений в криостатах (см. главы 4 и 5), с обеспечением работы тепловых переключателей (гл. 4), с понижением давления пара над поверхностью криогенной жидкости
для ее охлаждения (гл. 5), с работой рефрижераторов растворения, где нужно осуществлять циркуляцию гелия (гл. 6), а также при поиске течей (см. п. 1.9.1). Совершенство характеристик любого рефрижератора зависит от правильного выбора
насосов и соединительных трактов.
Специалист по криогенике должен обладать достаточным опытом в физических
основах вакуумной техники, с тем, чтобы быть в состоянии обеспечить необходимый уровень герметичности и избежать появления течей в разрабатываемых
приборах, а при возникновении течей суметь их локализовать и устранить. Следовательно, он должен владеть техникой изготовления вакуумных уплотнений и
пайки. Как правило, криогенное оборудование подвергается значительным механическим напряжениям из-за больших температурных градиентов и в силу различий
коэффициентов теплового расширения применяемых материалов.
Специфической особенностью вакуумных задач в криогенике является то, что
вакуумные узлы изготавливаются и проверяются при комнатной температуре, затем откачиваются и охлаждаются. При этом зачастую обнаруживаются дефекты,
не проявлявшие себя при комнатной температуре. Более того, при отогреве приборов некоторые проблемы, возникавшие при низких температурах, вновь исчезают,
так что их бывает непросто локализовать.
Не следует забывать, что охлажденные поверхности адсорбируют газы — при
малых наружных утечках воздуха, проникающий через течь, будет конденсироваться на холодной поверхности. Если адсорбируется много газа, то при отогреве
давление в «вакуумированном» объеме может сильно возрасти. По этой причине в
вакуумной системе следует предусмотреть выпускной клапан.
В этой книге мы затронем только те аспекты вакуумной техники, которые актуальны для криогеники. Более общие сведения можно почерпнуть в работах [1–4].
Принято говорить, что в контейнере поддерживается вакуум, если давление в
нем ниже наружного, обычно атмосферного, давления. Если никакого контейнера
нет, вакуумом называют область пространства с пониженным, по сравнению с
атмосферным, давлением.
Вакуум может быть «естественным» или же искусственно созданным.

1.1. Введение
15

Естественный вакуум, например, на поверхности Луны или в межпланетном
пространстве, принято характеризовать плотностью числа частиц (несколько частица в см3), а не давлением. В межгалактическом пространстве эта плотность
падает до ∼ 1 частица/см3. В нашем распоряжении есть и «лаборатории естественного вакуума», скажем на Шаттлах или на Международной Космической Станции,
но здесь мы будем обсуждать только искусственный вакуум, создаваемый насосами в том или ином замкнутом объеме.
Единица измерения давления в системе СИ — это паскаль (Па), 1 Па = 1 Н/м2.
1 Па соответствует очень низкому давлению. По этой и ряду других причин на
практике широко используются другие единицы измерения давления. В табл. 1.1
приведены соотношения между наиболее употребительными единицами давления.
(В переводе в табл. 1.1 фигурируют единицы давления, используемые в русскоязычной литературе).

Таблица 1.1. Соотношения между наиболее употребительными единицами давления

Единица
давления
Н/м2
дин/см2 =
= мкбар
бар
атм
мм рт. ст.
(Тор)

мкм рт.
ст.

Н/м2 (Па)
1
10
10−5
0, 987·10−5
750 · 10−5
750 · 10−2

мкбар
10−1
1
10−6
0, 987·10−6
750 · 10−6
750 · 10−3

бар
105
106
1
0,987
750
750 · 10−3

атм
1, 013 · 105
1,013 · 106
1,013
1
760
760 · 10−3

мм рт. ст.
133,3
1333
1,333 · 10−3
1,316 · 10−3
1
103

мкм рт. ст.
1,333 · 10−1
1,333
1,333 · 10−6
1,316 · 10−6
10−3
1

В зависимости от давления газа на практике выделяют три области:
1) низкий вакуум или форвакуум (от атмосферного давления до 1 Па);
2) высокий вакуум (от 1 до 10−4 Па);
3) сверхвысокий вакуум (ниже 10−4 Па).
Такая более или менее произвольная классификация соответствует трем различным физическим ситуациям.
В форвакуумном режиме количество молекул в объеме гораздо больше числа
адсорбированных на внутренних стенках камеры. В области высокого вакуума
средняя длина свободного пробега молекул (см. разд. 1.3) порядка или больше
размеров контейнера, и большинство молекул находится на внутренних стенках
контейнера. В области сверхвысокого вакуума поток молекул на изначально чистую поверхность столь слаб, что до образования мономолекулярного слоя газа на поверхности требуется время, достаточное для проведения тех или иных
экспериментов.
Простейшая вакуумная система состоит из вакуумной камеры, соединительного трубопровода и насоса, создающего разряжение и соответствующий градиент
давления вдоль трубопровода (см. рис. 1.5).
Для достижения высокого и, тем более, сверхвысокого вакуума необходимо
обеспечить высокую степень чистоты вакуумной камеры и трубопровода, так как
наличие примесей (скажем, воды, неизбежно присутствующей в воздухе и обладающей высоким давлением паров) препятствует достижению заданной степени
вакуума.
Пока речь идет об области низкого вакуума можно заранее предположить, что
газовый состав смеси в первоначально заполненной воздухом вакуумной камере не

Гл. 1. Вакуумная техника

Таблица 1.2. Состав сухого воздуха при давлении в 1 атм (760 мм. рт. ст.), выраженный
через парциальные давления компонентов [5]

Составляющие
Парциальные давления

газовой смеси
Тор
Па

Азот
593,43
79104,22

Кислород
159,19
21220,03

Углекислый газ
0,25
8,33

Аргон
7,10
946,43

Неон
1,38 · 10−2
1,84

Гелий
3,98 · 10−3
5,3 · 10−1

Криптон
8,66 · 10−4
1,15 · 10−1

Ксенон
6,61 · 10−5
8,81 · 10−3

Водород
3,80 · 10−4
5,06 · 10−2

Метан
1,52 · 10−3
2,03 · 10−1

Окись азота
3,80 · 10−4
5,06 · 10−2

будет существенно изменяться в процессе откачки. Состав атмосферного воздуха
и парциальные давления компонентов приведены в табл. 1.2. В процессе дальнейшей откачки состав меняется, обычно при этом увеличивается доля более легких
молекул.

1.2.
ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ

Любое вещество в жидкой и даже твердой фазе испаряется, создавая
равновесную газовую среду. Давление этой газовой фазы называют «давлением
насыщенных паров». Конечное давление в вакуумной камере часто определяется
упругостью паров наиболее летучих веществ, оказавшихся в системе.

Таблица 1.3. Давление паров некоторых веществ при 20 ◦С

Жидкость
Давление насыщающих
паров при 20 ◦С, Тop

Бензин
74,6

Этиловый спирт
43,9

Метиловый спирт
96,0

Ацетон
184,8

Скипидар
4,4

Вода
17,5

Четыреххлористый углерод
91,0

Ртуть
1,2 · 10−3

Масло для высоковакуумных насосов
10−7

Зависимость давления насыщенных паров от температуры приближенно описывается формулой:

P ∼ exp
−L(T)

RT

,
(1.1)

где L(T) — удельная (молярная) теплота испарения. Данные для некоторых веществ приведены в табл. 1.3.

1.3. Средняя длина свободного пробега молекул и вязкость
17

Рис. 1.1. Температурная зависимость давления насыщенных паров для ряда веществ [5]

На рис. 1.1 приведены температурные зависимости давления насыщенных паров
для ряда веществ. Особое внимание следует обратить на упругость паров воды,
которая чрезвычайно велика.

1.3.
СРЕДНЯЯ ДЛИНА СВОБОДНОГО ПРОБЕГА МОЛЕКУЛ
И ВЯЗКОСТЬ

В кинетической теории газов молекулы рассматриваются как твердые
шарики, испытывающие упругие столкновения друг с другом и со стенками ка
Рис. 1.2. Зависимость от давления длины
свободного пробега для некоторых газов

меры. Подробно теория изложена, например, в книге [1]. Важнейшим параметром в этой теории является λ — средняя длина свободного пробега молекулы между двумя столкновениями с соседями. Выражение для оценки средней
длины свободного пробега λ может быть
записано в виде

λ =
1
√

2πnd2 ,
(1.2)

где d — эквивалентный диаметр молекулы (в модели «твердых шариков» для
4He d = 0,22 нм [6]), а n — число молекул (атомов) в единице объема.
Для идеального газа получим

λ =
kBT
√

2πnd2p
,
(1.3)

где kB — постоянная Больцмана, p —
давление газа. На рис. 1.2 показана зависимость λ от давления для ряда газов, важных для вакуумных технологий,
при 293 K.