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氦-3在低温制冷领域的使用

He-3的一同性质引起低温物理和低温工程领域研究者的极大喜欢,其间最令人注目的是He-3在获取1K以下低温环境所扮演的绝无仅有的人物,而这个温度区间正是根底物理学等现代高新科学研究的重要领域。


He-3具有低沸点、低密度、高比热容、高热导率等性质,这些性质使它成为低温工程中极为特别的一种制冷工质,尤其是在挨近绝对零度的极低温下。 1956年,瓦尔特斯(G. K. Walters)和费尔班克斯(W. M. Fairbanks)发现,温度在0.87K以下时,3He和4He混合液分红两个完全不同的相,较轻的富3He相浮在上层,而较重的富4He相沉在底层。富3He相也称浓缩相,在0.3K以下时几乎是纯3He。富4He相则称为稀释相,它含有6.4%的3He,即使挨近绝对零度也仍有6.4%的3He溶解在4He中。这一特性成为可接连取得毫开温度的稀释制冷机的根底。 


1962年,H.伦敦和门德尔松(KurtMendelssohn)等人再次提出稀释制冷实用技术方案。稀释制冷原理与蒸发制冷有相似之处。低温下4He呈超流态,是慵懒液体,而3He仍为正常流体,是个活泼成分。因此,若一个容器中盛有3He-4He混合液,底层的富4He相对于上层富3He相来说,可以认为是只起支撑或“机械真空”的作用。只需采用某种办法除掉一些富4He相中溶解的3He,底层富4He相中 3He浓度下降,必定损坏两相间的平衡,富3He相中的3He原子将穿过分界层松散到富4He相中去。从界面上看,这相当于3He蒸发,只不过3He分子不是蒸发进入气相空间,而是“蒸发”进入液相的超流态4He中。这个进程实际上是3He不断被稀释的进程,若稀释继续下去,液体就不断被冷却。因此这种制冷办法称为稀释制冷。 当然3He-4He稀释制冷与3He的蒸发制冷仍是有很大差异。前面现已说到,在蒸发制冷进程中,跟着温度下降,3He蒸气压急剧下降,毕竟无气可抽而不得不停止制冷进程,这绑缚3He蒸发制冷的极限温度是0.25K。稀释制冷则不同,富4He相中3He的含量不变,不管温度多低,抽气机总可以坚持恒定的3He循环量,因此可以得到比3He蒸发制冷低得多的温度 。

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