Жидкий гелий применение

ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ ПРИМЕНЕНИЕ

На протяжении многих десятилетий наука настойчиво стремилась к достижению все более и более низких температур. Успехи в этой области долгое время были связаны со сжижением очередного газа, имеющего более низкую точку кипения, чем его предшественник. Хронологически за углекислотой последовали кислород и воздух, далее азот, водород и, наконец, гелий. Соответственно менялось и понятие «сверхнизкие температуры». В начале текущего века ему отвечали температуры по-50 — 40° К, позднее область температур жидкого гелия — 4,2 — 1,0°К, теперь это температуры ниже 0,3° К.
 
Рекордно низкая точка, равная 0,71° К, была достигнута в гелиевом криостате в 1939 г., и это, видимо, был предел, достижимый при охлаждении вакуумируемым жидким гелием. Но в ванне с жидким легким гелием при откачке его паров получают температуру 0,3° К.
Для еще более глубокого охлаждения потребовался принципиально новый подход, так как более холодной жидкости, чем гелий, не существует. И такой процесс был найден в 1926 г. независимо друг от друга Дебаем и Джиоком. Это метод магнитного охлаждения. Он тоже связан с применением жидкого и газообразного гелия. С магнитным охлаждением успешно конкурирует сравнительно новый и более удобный метод, основанный на растворении жидкого ³Не в жидком Не; температура раствора при этом понижается.
 
Таким образом, только с помощью жидкого гелия можно охладить вещество до температуры, близкой к абсолютному нулю. Не существует термометров для измерения столь низких температур, и приходится прибегать ко «вторичной» термометрии: измерять какую-либо физическую характеристику охлаждающей среды или охлаждаемого тела, которая изменяется пропорционально температуре.
Радикально изменяются многие свойства веществ при температуре  жидкого  гелия. 
 
Так, скорость  реакции даже между такими химическими антиподами, как кислота И щелочь, падает практически до нуля. (Однако не все химические реакции при температуре жидкого гелия замирают. При сильнодействующем инициаторе некоторые реакции могут идти со значительной скоростью. К ним относится   полимеризация  отдельных  мономеров   при воздействии γ-излучения. Это явление пытаются использовать для создания новых технологических процессов и материалов с особыми свойствами.) Резко меняются механические  свойства  ряда  металлов  и  полимеров, например прочность алюминия на разрыв возрастает в 100 раз по сравнению с его прочностью при комнатной температуре. Иными становятся и магнитные свойства вещества. Некоторые химические соединения становятся антиферромагнетиками, т. е. переходят в особое состоя-ние упорядоченности, когда их ионы ориентируются так, что магнитные моменты компенсируют друг друга. Более того, существуют явления, которые вообще имеют место лишь при крайне низких температурах; так, теория предсказывает, что упорядочение ядерных магнитных моментов должно наступать лишь при температурах порядка 10 °К.
 
Любопытны данные биологических исследований. Они свидетельствуют о совершенстве приспособления к глубокому холоду некоторых простейших организмов и спор растений. При температуре хранения, близкой к абсолютному нулю, и достаточной радиационной защите они способны сохраняться практически беспредельно. В связи с этим жидкий гелий играет заметную роль в исследовании элементарных форм жизни. Сложилась целая отрасль биологии — криобиология, — исследующая действие на организмы низких и сверхнизких температур. Ее цели — познание механизма приспособления живых систем к холоду; сущность анабиоза, выявление возможностей лечения с помощью холода и т. п.
 
В области близких к абсолютному нулю температур известные вещества обнаруживают удивительные свойства, которые отсутствуют при обычных температурах. Современная наука рассматривает их как макроскопические проявления квантовомеханических закономерностей, так как классическая физика не описывает такого рода явления. С  одним из них — сверхтекучестью гелия II — мы знакомы. Еще большее научное и техническое значение имеет явление, носящее название сверхпроводимости.
 
Оно открыто в 1911 г., но только недавно удалось понять его механизм. Исследуя электрическое сопротивление ртути, Камерлинг-Оннес неожиданно обнаружил, что при охлаждении образца ниже 4,2° К его сопротивление внезапно и полностью исчезает. В дальнейшем нашли, что этим свойством обладает ряд металлов, сплавов и химических соединений, общее число которых превышает 80. Их сопротивление при достижении определенной температуры скачкообразно падает до нуля и остается нулевым при дальнейшем охлаждении. Примечательно, что все остальные физические свойства вещества остаются прежними.
 
Температура, при которой происходит скачок к сверхпроводимости, называется критической (Tк). Наиболее высокой Тк Nb3Ge и сплавы из ниобия, алюминия и германия, но и для них она не превышает 21—23° К, Тк свинца близка к 7,2° К, олова — около 3,7° К.
Возникший электрический ток продолжает течь в кольце из сверхпроводящего металла неопределенно долгое время, не затухая и не выделяя тепла. Круговой ток можно обнаружить  по создаваемому им магнитному полю, сила которого практически не изменяется во времени. Известен опыт: ток в несколько сот ампер, наведенный временно включенным магнитным полем, не изменялся в кольце из сверхпроводящего свинца в течение двух лет.
 
Неподвижность атомов твердого тела, проводника в частности, довольно относительна. Атомы колеблются около своих положений равновесия (узлов) в кристаллических решетках; эти тепловые колебания имеют характер упругих волн, искажающих правильную решетку. Столкновения электронного потока именно с этими волнами выражают сущность электрического сопротивления. Иную картину являет вещество в  сверхпроводящем состоянии. Здесь колебания атомов синхронизированы, входят в один согласованный ритм с электронным потоком, который, как мы знаем, также имеет волновой характер. Теперь колебательные движения атомов не только не создают «трения», а, наоборот, способствуют движению потока электронов примерно так, как попутная морская волна помогает гребцу.
 
Основную роль в сверхпроводимости играют связанные пары электронов (с антипараллельно ориентированными спинами), возникающие при температурах ниже критических. При таком холоде слабые силы притяжения между электронами начинают преобладать над силами отталкивания и образуются пары, энергетическое состояние которых ниже, чем обычных электронов.
В целом между сверхпроводимостью и сверхтекучестью существует глубокая аналогия. Современная физика относит к числу квантовых жидкостей не только Не и ³Не, но также систему электронов проводимости в металлах. При разных температурах все квантовые жидкости обнаруживают свойство сверхтекучести. В гелии она проявляется как собственно сверхтекучесть, а в металлах — нам сверхпроводимость. Сверхпроводимость — это сверхтекучесть электронного потока в проводнике. Электронные пары по теории обладают целым спином в отличие от полуцелого спина обычных электронов. Таким образом, они подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна, в соответствии с которой коллективы частиц могут проявлять сверхтекучесть.
 
Какую форму ни придать сверхпроводнику, магнитные силовые линии огибают его. Но если увеличивать напряженность поля, то в конце концов наступит момент, когда силовые линии проникнут внутрь проводников и тут же уничтожат сверхпроводимость. Резким скачком металл перейдет из сверхпроводящего состояния в нормальное, несмотря на то что температура останется ниже критической. Поскольку магнитное поле создается электрическим током, то при достаточно большой силе тока в сверхпроводнике восстанавливается сопротивление.
 
Для круглых проводников сечением в несколько миллиметров величина критического (т. е. разрушающего сверхпроводимость) тока достигает десятков и сотен ампер. А для фольги, толщина которой меньше тысячной доли миллиметра, критический ток измеряется лишь долями ампера.
На обратимом характере сверхпроводимости при температуре жидкого гелия и основано практическое использование сверхпроводимости в некоторых отраслях новой техники. Особый интерес вызывает применение сверх-проводников  как  элементов  вычислительных  машин. Здесь они заменяют электронные лампы, которые придают громоздкость машинам и потребляют много энергии. Переход на реле из сверхпроводников — криотроны — сулит большие перспективы в создании компактных, потребляющих мало электроэнергии логических и запоминающих элементов вычислительных машин. Криотроны не требуют применения сопротивлений, конденсаторов и других деталей. Они миниатюрны: в 1 см³ могут поместиться многие тысячи современных криотронов. Электрическпй ток может здесь проходить в любом направлении В имеет значение лишь величина тока в управляющей обмотке. Криотрон срабатывает, т. е. переходит из одного состояния в другое в течение 10—10¹¹ сек.
 
Он представляет собой отрезок сверхпроводящего провода (например, танталовой проволоки диаметром 0,2 мм) с однослойной управляющей обмоткой, например из ниобиевого провода диаметром 0,07 мм. При прохождении через обмотку тока в несколько десятых ампера создается магнитное поле, при помощи которого можно управлять состоянием провода: при токе, превышающем критическое значение, поддерживается нормальная проводимость, а при меньшем — сверхпроводимость. Во время работы обмотка всегда находится в состоянии сверхпроводимости, благодаря чему управление  криотроном   практически не требует затраты энергии.
 
Сверхпроводники начинают внедряться в практику радиотехники, где их используют в конструкциях усилителей и генераторов на частотах сантиметрового диапазона. Весьма надежно работают сверхпроводящие объемные резонаторы в приборах для измерения сверхвысоких частот. По этому пути идет создание приемных устройств необычайной чувствительности.
Большие выгоды сулит применение гелиевого холода в энергетике больших мощностей. Переход на сверхпроводящие материалы в дальних линиях электропередач, турбогенераторах, электродвигателях, трансформаторах и т. д. позволит значительно уменьшить их массу и размеры, увеличить единичную мощность в сотни раз, уменьшить рассеяние энергии.
Во всех случаях практического применения сверхпроводящих устройств пока что — до того как появится возможность использовать жидкий водород в качестве хладоагента — требуется их погружение в ванну с жидким гелием, а нередко и откачка гелия из ванн. В связи
с этих разрабатываются рациональные конструкции гелиевых ванн и совершенствуется техника работы с ними.
 
Недалеко то время, когда потребителями охлажденного до почти жидкого состояния гелия станут подземные линии электропередач по сверхпроводящим тоководам. Как известно, воздушные линии электропередач теряют до десяти процентов передаваемой энергии: она уходит на нагрев проводов и в атмосферу. В научно-исследовательском Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского разработан токовод, представляющий собой две коаксиально расположенные медные трубы. Внутренняя поверхность наружной трубы и внешняя поверхность внутренней трубы покрыты слоем ниобий-оловянного сверхпроводника. В пространство между трубами под давлением подается охлажденный до 7° К гелий. Пропускная способность такого кабеля огромна, его КПД превышает 99%. К 1980 г. намечено пустить вблизи Москвы под промышленную нагрузку опытный сверхпроводящий кабель протяженностью 1 км. Это будет первый практический шаг на пути к переходу на криогенные ЛЭП по всей стране.
 
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромашиностроения в Ленинграде созданы опытные криогенные турбогенераторы мощностью  в  несколько тысяч кВт. В ближайшие годы будет построен промышленный криогенный агрегат на 300 тыс. кВт, а далее проектируются машины мощностью до 2  млн  кВт.   Их отличительная особенность — полупроводниковый ротор, представляющий собой вращающийся криостат, где царят вакуум и температура в 4° К; ее поддерживает непрерывный поток сжиженного гелия. Криогенная техника ляжет в основу будущих компактных и экономичных электрических машин.
Статья на тему Жидкий гелий применение