CC BY
14
УДК 541.183 : 530.145
ПРОСТЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ СУБАЗОТНЫХ ТЕМПЕРАТУР В ОБЛАСТИ 77-50 И 50-35 К
В. С. Парбузин, В. А. Яковлев
(кафедра физической химиии; e-mail: vsp@physch.chem.msu.su)
Описаны два лабораторных метода и конструкция криостатов для получения температур ниже точки кипения жидкого азота: откачкой паров жидкого азота или эвтектики N2-O2 (область 77-50 К) и методом адиабатической десорбции водорода (область 50-35 К).
В течение многих лет в ходе исследований криогенной адсорбции изотопов и спин-изомеров водорода мы применяем достаточно простые и дешевые методы получения низких температур в интервале 77-35 К, используя только обычные лабораторные возможности: криостаты из стекла, жидкий азот и форвакуумные насосы [1]. Такой подход особо актуален в теперешней ситуации острого дефицита ресурсов и резкого повышения стоимости жидкого гелия.
В настоящей публикации описаны усовершенствованные варианты криостатов и методик, апробированные в лаборатории стабильных изотопов при выполнении большого числа дипломных и аспирантских работ.
Область температур 77-50 К
Исходя из однозначной зависимости Р = легко регулировать температуру Т, задавая равновесное давление Р над зеркалом жидкого хладагента в герметизированном
Рис. 1. Схема криостата для температур 77-50 К: 1 - внутренний дьюаровский сосуд; 2 - адсорбционная ячейка; 3 - корзиночка с исследуемым сорбентом; 4, 5 - вход и выход циркулирующего газа; 6 -наружная спираль; 7а - стандартный шлиф N14 для заливки азота и откачки его паров; 7б - шлиф для смены сорбента и ввода термопары (на схеме не показана); А-А' - уровень жидкого азота в наружном сосуде Дьюара
Рис. 2. Ход температуры при откачке азота: 1 - жидкий азот (77,3 К); 2 - тройная точка азота ( 63,2 К ); 3 - твердый азот (50 К)
сосуде Дьюара. Для этих целей пригодны либо чистый азот, либо эвтектическая смесь азота с кислородом в объемном соотношении 1:6 [2]. Обе системы обеспечивают при использовании лабораторного форвакуумного насоса типа ВН-461 предельную температуру около 50 К. Однако каждая из систем обладает определенными преимуществами и недостатками. Откачка паров азота проще и безопаснее в реализации, однако ниже тройной точки (63,2 К) резко ухудшается теплопередача от твердого азота к охлаждаемому объекту. Применение смеси ^-02, помимо необходимости получения жидкого кислорода (например, ожижением баллонного 02 жидким азотом), сопряжена с обязательным условием использования в фор-насосе только негорючего силиконового вакуумного масла. Однако эта система обладает большим преимуществом по сравнению с азотом, так как эвтектика не замерзает вплоть до 50 К и тем самым обеспечивается хороший теплообмен в жидкой среде. Это бывает очень важно при экспериментах с протоком или циркуляцией газа.
На рис. 1 изображено устройство простого стеклянного криостата, предназначенного для получения температур в области 77-50 К. Жидкий азот заливают во внутренний дьюаровский сосуд, который герметизируют и начинают откачку. На рис.2 для примера показан ход температуры во времени при откачке паров азота.
Температуру в криостате регулируют с помощью мембранного регулятора (рис. 3), задавая в опорной емкости желаемое давление откачки от атмосферного до нескольких мм рт. ст., которое поддерживается тонкой и
Рис. 3. Схема мембранного регулятора давления откачки: 1 — регулировочная мембрана из лавсановой пленки; 2 — емкость для задания опорного давления; 3, 4 — образцовые вакуумет-ры; 5—9 — вакуумные вентили; 10 — вакуум; 11 — откачиваемая емкость; 12 — атмосфера
чувствительной мембраной, что обеспечивает точность поддержания температуры не хуже ± 0,05 К.
Если применить высокопроизводительные высоковакуумные насосы и вести откачку через трубопроводы большого сечения, можно еще более снизить температуру. Однако в этом случае система становится чересчур громоздкой и дорогостоящей и метод теряет свою привлекательность.
Область температур 50-35 К
Для дальнейшего продвижения в область криогенных температур нами был использован каскадный метод: сначала откачкой азота получали температуру 50 К, затем опускались до 35 К с помощью метода адиабатической десорбции Симона, разработанного им для достижения гелиевых температур [3]. Мы применили этот метод для водорода в существенно упрощенном и усовершенствованном варианте. Принцип метода и устройство нашего стеклянного (марки «молибден») криостата представлены на рис. 4.
Охлаждаемый объект 1 (адсорбционная ячейка) находится в массе непылящего гранулированного противогазового угля 2 (вес 75 г), помещенного в сетку из латунной проволоки 3, что обеспечивает всесторонний доступ газа к сорбенту и способствует ускорению процессов адсорбции-десорбции.
Сорбент отделен от окружающей среды вакуумной оболочкой 4, которая в процессе адсорбции на угле заполняется теплообменным газом - дейтерием при давлении ~3 мм рт. ст. (применение Б2 вместо Н2 обеспечивает в адиабатической оболочке более глубокий вакуум -до 10-5 мм рт. ст.). Перед началом десорбции оболочку вакуумируют при помощи ампулы объемом 100 см3 с цеолитом МаЛ, погружаемой в жидкий азот (на схеме не показана). Ампула припаяна к оболочке напрямую, без каких-либо кранов. Применение стационарного цеолитно-го насоса позволяет избавиться от громоздких деталей высоковакуумной аппаратуры, исключить источники течей и обеспечить быструю изоляцию от окружающей среды. Для улучшения теплоизоляции внутренняя оболочка 4 посеребрена. В некоторых опытах криостат снаружи охлаж-
дали жидким азотом, для чего использовали высокий дьюаровский сосуд (на схеме не показан). Это позволяло несколько сократить время достижения криогенных температур.
Хладагентом служил жидкий азот, который заливали в дьюаровский сосуд 5. Контроль за ходом температуры в адсорбционной ячейке и в откачиваемом сосуде Дьюара осуществляли двумя термопарами медь-константан.
Параметры криостата: объем охлаждаемой ячейки 11,2 см3, объем адиабатической оболочки с углем 250 см3, объем сосуда Дьюара с жидким азотом 1 000 см3, высота криогенной части криостата 43 см.
Перед работой сорбенты в течение 6 ч подвергали предварительному вакуумированию при давлении 0,01 мм рт. ст. и температуре 300° (уголь) и 360° (цеолит).
Порядок работы на криостате:
Активированный уголь приводили в контакт с чистым водородом из баллона со сжатым газом. Криостат заливали жидким азотом. Через оболочку с теплообменным газом происходило охлаждение угля и отвод выделяющейся теплоты адсорбции. Как описано выше, температуру в криостате понижали откачкой паров сначала жидкого, а
Рис. 4. Схема десорбционного криостата для температур 50-35 К: 1 — рабочий объем ( адсорбционная ячейка); 2 — активированный уголь; 3 — корзинка из латунной сетки; 4 — адиабатическая оболочка; 5 — сосуд Дьюара; 6 — вакуум; 7 — напуск и откачка водорода; 8, 9 — циркулирующий газ; 10 — ампула с цеолитом; 11 — заливка азота, закрывается пробкой — шлифом Ж14
12 ВМУ химия, № 4
Рис. 5. Ход температуры при десорбционном охлаждении: 1 — начало десорбции водорода с угля при 50 К; 2—3 - постепенный подъем от 34,5 до 35 К; 4 — стабильная рабочая температура 35 К
затем твердого азота. В процессе охлаждения поддерживали равновесное давление адсорбции Н2 (~1,7 атм). По достижении температуры 49-50 К создавали адиабатическую оболочку и через 30 мин приступали к откачке водорода из угля с помощью второго форвакуумного насоса. Уже при понижении давления до атмосферного температура падала на 2-3° градуса, а дальнейшая откачка приводила к понижению температуры до 34,5-35 К. Затем температура медленно повышалась, скорее всего, из-за выделения теплоты орто-пара-конверсии Н2. Термостатирование с точностью не хуже ±0,1 осуществляли с помощью мембранного регулятора (рис. 3), задавая давление откачки в опорной емкости.
Ход температуры во времени на второй (десорбцион-ной) стадии показан на рис. 5. Видно, что устойчивая температура (35 К) достигается через 7-7,5 ч после начала опыта и может в течение 3-4 ч поддерживаться на этом уровне. Для быстрого подъема температуры откачку прекращали, в активированный уголь напускали немного теплого водорода, после чего продолжали работу на новом уровне температуры (обычно 40 и 45 К). Запаса холода хватало для нескольких часов исследований при периодической циркуляции теплого (295 К ) газа.
По нашим данным, относительное понижение температуры, достигаемое в нашей системе при начальных температурах 77-50 К и начальном давлении водорода 1200-1300 мм рт. ст., составляет в среднем 0,7 [1], так что с помощью двухступенчатой схемы можно было бы опуститься до 35 0,7 = 24,5 К. Вероятно, для реализации такой схемы более предпочтительно использование металлического криостата.
В заключение отметим, что вариант с откачкой азота достаточно прост в реализации, чтобы его можно было использовать даже в учебной работе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Парбузин В.С., Яковлев В.А. Десорбционный криостат для тем-
ператур до 35К. Деп. ВИНИТИ. № 809 от 23.03.75.
2. Справочник по разделению газовых смесей методом глубокого
охлаждения. М., 1963. С. 227.
3. Simon F. II Physik. Z. 1926. 37. S. 790.
Поступила в редакцию 21.02.01
