Новый метод ожижения гелия

Статья в журнале "Социалистическая реконструкция и наука"

1934

Для получения низких температур, близких к абсолютному нулю, пользуются в качестве охладительных агентов ожиженными газами. Жидкий воздух кипит при 81 К (-192°С), водород - при 20 К, однако при самой низкой температуре из всех известных газов кипит гелий. Гелий становится жидким только при 4,2 К, но, заставляя его кипеть при пониженном давлении, удалось достигнуть температуры 0,8 К. Пользуясь магнитными свойствами сильно магнитных веществ, охлажденных до температуры жидкого гелия, удалось еще более приблизиться к абсолютному нулю; самая низкая достигнутая температура оказалась несколько ниже 0,1 К.

При низких температурах, получаемых посредством жидкого гелия, в твердых веществах тепловое движение атомов и молекул почти прекращается; благодаря этому их физические свойства сильно меняются и наблюдается много весьма интересных физических явлений, например открытое Камерлинг-Оннесом явление "сверхпроводимости".

Некоторые металлы, например свинец, ртуть, олово и др., при температуре жидкого гелия внезапно прекращают сопротивление электрическому току. Пока удалось только установить, что в сверхпроводящем свинце сопротивление току во всяком случае в сто тысяч миллионов раз меньше, чем в меди при комнатной температуре. Сопротивление в сверхпроводящем состоянии так мало, что ток, пущенный по замкнутому кольцу, циркулирует без заметного ослабления в течение многих дней.

Наибольшее затруднение, встречаемое при исследованиях в данной области, связано с получением жидкого гелия. Процесс этого получения длителен, требует сложной аппаратуры и опытного персонала.

Трудности, связанные с ожижением гелия, можно понять, рассматривая методы ожижения газов.

Для ожижения газов пользуются охлаждением газа при адиабатическом расширении и принципом тепловой регенерации. Сжатый газ перед пуском в расширительную машину пропускают через регенерационный теплообменник. После расширения охлажденный газ опять идет в теплообменник, где охлаждает газ, поступающий в расширительную машину. Температура поступающего в машину и выходящего из нее газа будет падать до температуры ожижения, и тогда часть газа выйдет из расширительной машины уже в жидком виде.

Описанный процесс ожижения газов до сих пор не мог быть применен для получения жидкого гелия вследствие технических затруднений, связанных с осуществлением расширительной машины.

В расширительной машине поршень должен двигаться в цилиндре по возможности без трения и представлять собою герметическую перегородку в нем. Оба эти требования можно удовлетворить только смазкой зазора между цилиндром и поршнем; но при температуре жидкого гелия и водорода все без исключения вещества не только тверды и не годятся для смазки, но большинство из них становятся хрупкими, как стекло. Поэтому для получения жидкого гелия и водорода до сих пор применялся другой метод, основанный на явлении Джоуля-Томсона. Посредством этого метода в 1898 г. Дьюар в Англии в первый раз ожижил водород, а Камерлинг-Оннес в 1908 г. в Голландии ожижил гелий.

Эффект Джоуля-Томсона заключается в том, что яри известных условиях сжатый газ, даже не совершая внешней работы, охлаждается, расширяясь после выпуска из крана в сосуд с меньшим давлением. Охлаждение происходит за счет внутренней работы преодоления силы притяжения между молекулами газа. Этим охлаждением пользуются совместно с уже описанным регенерационным теплообменом.

Главный недостаток этого метода - его чрезвычайно малая производительность ввиду малости самого эффекта Джоуля-Томсона. Так, воздух, сжатый до 30 атм., расширяясь до 1 атм., охладится от комнатной температуры на 17 градусов, тогда как при том же расширении, но произведенном адиабатически, он охлаждается на 165 градусов.

При охлаждении гелия этим методом дело обстоит хуже, чем с охлаждением сжатого воздуха; вследствие малости сил взаимодействия между атомами гелия эффект Джоуля - Томсона не только очень мал, но может быть использован, лишь когда гелий охлажден до очень низкой температуры. Поэтому после сжатия его надо предварительно охлаждать до температуры жидкого водорода, кипящего при пониженном давлении (14 К). Производительность этого метода в сто раз меньше, чем была бы при адиабатическом расширении. Кроме того, необходимо располагать большим запасом жидкого водорода и жидкого воздуха: приходится заготовлять свыше ста килограммов жидкого воздуха, на другой день готовить жидкий водород, и только на третий день добывают несколько литров жидкого гелия.

После года усиленной работы в нашей лаборатории нам удалось построить расширительную машину, в которой затруднения со смазкой преодолены. Мы отказались не только от смазки, но вообще от плотно двигающегося поршня. Поршень двигается совершенно свободно в цилиндре, и это позволяет сжатому газу утекать через зазор между цилиндром и поршнем. Но машина устроена так, что время расширения газа составляет несколько сотых долей секунды и за это время газа утекает через зазор только 2-3 %.

Наша расширительная машина скорее напоминает взрывную машину. Поршень чрезвычайно быстро вылетает, но медленно возвращается в свое первоначальное положение. Кривошипный механизм для нас неприемлем и заменен специальным гидравлическим устройством.

Преодолев все технические трудности (подбор нехрупких материалов, клапанное устройство), нам удалось построить машину, к. п. д. которой оказался равным 0,7 (см. рисунок). Поршень и цилиндр в ней совсем не срабатываются. По-видимому, те несколько процентов газообразного гелия, которые протекают через зазор, являются как бы газообразной смазкой. Таким образом, с нашим теперешним ожижителем предварительное охлаждение газообразного гелия производится только жидким воздухом. Хотя это принципиально не необходимо, но значительно ускоряет работу и уменьшает размеры теплообменников. Количество требуемого жидкого воздуха весьма мало: на каждый литр жидкого гелия требуется два литра жидкого воздуха и на весь день работы с жидким гелием не более 10-15 кг жидкого воздуха.

Новый метод ожижения гелия

Коэффициент полезного действия нашего адиабатического ожижителя по крайней мере в 10 раз больше, чем прежних аппаратов. Но главная экономия - во времени. Через два часа после пуска в ход ожижителя получается достаточно жидкого гелия, чтобы начать эксперименты. Все это настолько упрощает работу с жидким гелием, что он будет доступен для большинства лабораторий.