超低溫技術

超低溫技術，低於1K的溫度叫做超低溫。1933年，美國物理學家焦克首先用順磁鹽絕熱，獲得0.25K的低溫。1950年德克勒用銘釩和鋁釩的混合晶體絕熱去磁方法，獲得1.4×10-3K的低溫，1956年牛津大學的庫爾蒂和P.E,西蒙等人使銅原子的溫度下降到2×10-5K。1979年，芬蘭赫爾辛基超低溫技術，技術大學低溫試驗採用兩級串聯的核磁矩絕熱去磁方法，使銅核自鏇系統達到0.5×10-7K,以後又達到了3.3×10-8K。1989年，芬蘭人哈科寧和中國人殷實共同創造2×10-9K最新低溫記錄，它距絕對零度只差5億分之一。1898年H.卡末林.昂內斯以液態空氣預冷氫，利用焦耳-湯姆孫效應使氫氣液化（氫的沸點為33.3K），獲得接近於絕對零度低溫的技術。C.von林德最先利用節流膨脹的焦耳-湯姆孫效應，製成空氣液化機（空氣中氮的沸點為126.2K，氧的沸點為154.8K），並於1895年創辦了大型液化空氣工廠，1908年昂內斯用液氫作預冷使最難液化的氦液化（氦的臨界溫度為5.3K）。液氦在1個大氣壓下的沸點為4.2K，用減壓蒸發法可得0.5K以下的低溫。

基本信息

• 中文名：超低溫技術
• 英文名：Ultra low temperature technology

• 定義：使物體接近於絕對零度低溫的技術
• 超低溫：低於1K的溫度

簡介

低於1K的溫度叫做超低溫。獲得這樣低的溫度，除人們所熟知的，通過對4He液浴減壓可達最低溫度約0.5K外，還有下列方法：利用3He液浴減壓最低溫度可達到0.3K；利用硝酸鈰鎂(CMN)等順磁鹽進行絕熱去磁,可達到幾毫開溫區；利用3He-4He稀釋致冷機可達1.5mK，利用坡密朗丘克冷卻和絕熱核去磁可達到更低的溫度。

低溫恆溫器

利用3 He蒸發的低溫恆溫器是獲得1K以下溫度的最簡便的方法。3 He的質量小,零點運動強烈,因此在所有的溫度下它的蒸氣壓比4 He都要高。此外，因不存在3 He膜,也就沒有沿著3 He膜的傳熱或3 He蒸發而產生的額外漏熱。所以在低溫端可以利用一粗管道對3 He液浴減壓,獲得比利用4 He液浴減壓所能達到的更低的溫度。3 He的正常沸點是3.19K，通過減壓可達稍低於0.3K的溫度。

順磁鹽絕熱

超低溫技術

順磁鹽絕熱去磁又稱磁冷卻。順磁鹽中含有鐵或稀土族元素，其3d或4f殼層沒有填滿因而具有磁矩。當溫度高於順磁鹽的磁有序特徵溫度θ時(見順磁性),各個離子間因相互作用較小，比較自由,順磁鹽可看作是一個混亂取向的偶極子體系。當達到溫度θ時，發生偶極子的自發取向,系統的熵S減小。當T>θ時，如果施加一外磁場B=Bi,從體系的溫－熵圖（圖1）可看出,外磁場引起的偶極子擇優取向,使體系的熵減少。因此,如果在減壓4 He或3 He液浴中將順磁鹽預冷到某一溫度Ti,然後在與液氦浴保持熱接觸的條件下施加外磁場進行等溫磁化，體系在這過程中釋放出來的磁化熱為液氦浴所吸收，熵下降。再使鹽與周圍環境絕熱,並將磁場降至B=Bi或零。這樣就可以獲得顯著的降溫效果,得到T=Ti或T=T0的溫度。絕熱去磁所能達到的最終溫度取決於外磁場強度和順磁鹽的磁有序化特徵溫度。W.F.吉奧克於1933年完成了順磁鹽絕熱去磁實驗，獲得了千分之幾開的低溫。

坡密朗丘克

超低溫技術

當T≈0.319K和p=2.931MPa時,3 He的熔化曲線上有一個很深的極小值，在比極小值更低的溫度下沿著熔化曲線對3 He的液體-固體混合物進行絕熱壓縮，會發生冷卻效應,這就是坡密朗丘克效應（圖2）。通常所用的冷卻步驟是:先將3 He小液池預冷到0.319K以下某一溫度，這時3 He液池內只有液態 3He，在絕熱條件下加大壓力，則3 He的狀態沿著溶化曲線移動，液體逐漸固化,當液池全部固化時即達到最終溫度。計算指出，使用這種方法所能達到的極限溫度約1mK。
3 He-4 He稀釋致冷機1956年H.倫敦最先提出稀釋致冷機的致冷原理。1965年已有人建立了第一台樣機。由於這種裝置可以連續運轉，能吸收大的熱負載，結構簡單，操作方便，而且也適用於一些需要強磁場的實驗，現已成為超低溫實驗室中一種極為重要的設備。
3 He-4 He稀釋致冷機利用3 He原子溶入4 He液體中的吸熱效應來製冷。圖3是3 He-4 He溶液在飽和蒸氣壓下，在(T,x)平面中的相圖。3 He在4 He中的溶解度，n3和n4分別為單位體積液體內含3 He和4 He的摩爾數。在共存曲線以上，混合溶液可以是超流體，也可以是正常流體,取決於(T,x)點是處於λ曲線的左側還是右側。隨著溫度降低到共存曲線以下,液體自發地分成共存的兩相。富3 He成分的相密度較低(濃縮相),它浮在富4 He相（稀釋相）上面。在0.1K以下,兩相的組成隨溫度的變化很小。即使到0K,稀釋相中3 He的平衡濃度仍比較高，x0(0)=0.064。可將濃縮相看作3 He液相,稀釋相中的3 He類似於液面上的蒸氣,超流4 He可看作3 He氣體的惰性背景。如果用抽機抽出稀釋相中3 He原子而迫使3He原子不斷從濃縮相跨過界面進入稀釋相中，從而產生冷卻效應。目前利用稀釋致冷機已達到的最低溫度為1.5mK。

核絕熱去磁

超低溫技術

C.J.戈特於1934年N.庫爾蒂等人1935年先後提出利用核磁矩代替電子磁矩進行絕熱去磁致冷問題。1956年，庫爾蒂等利用銅作核去磁實驗，把核自鏇溫度下降到1µK左右。圖4為核去磁恆溫器的示意圖。在0.1和1K之間的較高溫度將核級磁化,在保持磁化的情況下,將核級冷卻到初始溫度(≈10mK)，在此期間，磁化熱傳入預冷級（順磁鹽或稀釋致冷機的混合室）。然後，通過操作一熱開關使核級與周圍環境之間絕熱。再進行絕熱去磁而獲得致冷的效果。由於核磁矩很小，為得到良好的致冷效果，初始溫度應為10mK數量級,磁場應在3萬高斯以上。目前人們正在利用超導磁體作二級核去磁實驗，以便達到更低的溫度。