关于超低温技术介绍

[拼音]：chaodiwen jishu

[外文]：techniques for ultra-low temperature

低于1K的温度叫做超低温。获得这样低的温度，除人们所熟知的，通过对4He液浴减压可达最低温度约0.5K外，还有下列方法：利用3He液浴减压最低温度可达到 0.3K；利用硝酸铈镁(CMN)等顺磁盐进行绝热去磁，可达到几毫开温区；利用3He-4He稀释致冷机可达1.5mK，利用坡密朗丘克冷却和绝热核去磁可达到更低的温度。

利用3He蒸发的低温恒温器是获得1K以下温度的最简便的方法。3He的质量小，零点运动强烈，因此在所有的温度下它的蒸气压比4He都要高。此外，因不存在3He膜，也就没有沿着3He膜的传热或3He蒸发而产生的额外漏热。所以在低温端可以利用一粗管道对3He液浴减压，获得比利用4He液浴减压所能达到的更低的温度。3He的正常沸点是3.19K，通过减压可达稍低于0.3K的温度。

顺磁盐绝热去磁又称磁冷却。顺磁盐中含有铁或稀土族元素，其3d或4f壳层没有填满因而具有磁矩。当温度高于顺磁盐的磁有序特征温度θ 时(见顺磁性)，各个离子间因相互作用较小，比较自由，顺磁盐可看作是一个混乱取向的偶极子体系。当达到温度θ时，发生偶极子的自发取向，系统的熵S减小。当T>θ时，如果施加一外磁场B=Bi，从体系的温－熵图（图1）可看出，外磁场引起的偶极子择优取向，使体系的熵减少。因此， 如果在减压4He或3He液浴中将顺磁盐预冷到某一温度Ti，然后在与液氦浴保持热接触的条件下施加外磁场进行等温磁化，体系在这过程中释放出来的磁化热为液氦浴所吸收，熵下降。再使盐与周围环境绝热，并将磁场降至B=Bi或零。这样就可以获得显著的降温效果，得到T=Ti或T=T0的温度。绝热去磁所能达到的最终温度取决于外磁场强度和顺磁盐的磁有序化特征温度。W.F.吉奥克于1933年完成了顺磁盐绝热去磁实验，获得了千分之几开的低温。

当T≈0.319K和p=2.931MPa时，3He的熔化曲线上有一个很深的极小值，在比极小值更低的温度下沿着熔化曲线对3He的液体-固体混合物进行绝热压缩，会发生冷却效应，这就是坡密朗丘克效应（图2）。通常所用的冷却步骤是:先将3He小液池预冷到0.319K以下某一温度，这时3He液池内只有液态3He，在绝热条件下加大压力，则3He的状态沿着溶化曲线移动，液体逐渐固化，当液池全部固化时即达到最终温度。计算指出，使用这种方法所能达到的极限温度约1mK。

1956年H.伦敦最先提出稀释致冷机的致冷原理。1965年已有人建立了第一台样机。由于这种装置可以连续运转，能吸收大的热负载，结构简单， *** 作方便，而且也适用于一些需要强磁场的实验，现已成为超低温实验室中一种极为重要的设备。

3He-4He稀释致冷机利用3He原子溶入4He液体中的吸热效应来制冷。图3是3He-4He溶液在饱和蒸气压下，在(T，x)平面中的相图。3He在4He中的溶解度，n3和n4分别为单位体积液体内含3He和4He的摩尔数。在共存曲线以上，混合溶液可以是超流体，也可以是正常流体，取决于(T，x)点是处于λ曲线的左侧还是右侧。随着温度降低到共存曲线以下，液体自发地分成共存的两相。富3He成分的相密度较低(浓缩相)，它浮在富4He相（稀释相）上面。在0.1K以下，两相的组成随温度的变化很小。即使到0K，稀释相中3He的平衡浓度仍比较高，x0(0)=0.064。可将浓缩相看作3He液相，稀释相中的3He类似于液面上的蒸气，超流4He可看作3He气体的惰性背景。如果用抽机抽出稀释相中3He原子而迫使3He原子不断从浓缩相跨过界面进入稀释相中，从而产生冷却效应。目前利用稀释致冷机已达到的最低温度为1.5mK。

C.J.戈特于1934年N.库尔蒂等人1935年先后提出利用核磁矩代替电子磁矩进行绝热去磁致冷问题。1956年，库尔蒂等利用铜作核去磁实验，把核自旋温度下降到1µK左右。图4为核去磁恒温器的示意图。在0.1和 1K之间的较高温度将核级磁化，在保持磁化的情况下，将核级冷却到初始温度(≈10mK)，在此期间，磁化热传入预冷级（顺磁盐或稀释致冷机的混合室）。然后，通过 *** 作一热开关使核级与周围环境之间绝热。再进行绝热去磁而获得致冷的效果。由于核磁矩很小，为得到良好的致冷效果，初始温度应为10mK数量级，磁场应在3万高斯以上。目前人们正在利用超导磁体作二级核去磁实验，以便达到更低的温度。