Техника глубокого охлаждения

(статья из журнала Наука и Техника, от февраля 1964 г.)

Историю человечества двадцатый век войдет как век атомной энергии и освоения космоса. Положение это общеизвестно и вряд ли нуждается в аргументации. Но, вероятно, не все знают, что как полетам в космос, так и осуществлению термоядерной реакции помог... холод. Да, именно холод! Правда, не тот, который получается при помощи бытовой холодильной техники. Речь идет о глубоком .холоде, или, как говорят специалисты, о глубоком охлаждении.

Благодаря глубокому охлаждению удалось получить из атмосферы (и в большом количестве) кислород. Кроме того, благодаря низким температурам из водорода был выделен, дейтерий, без которого, как известно, термоядерной реакции не осуществишь. Но и это еще не все. Глубокое охлаждение открывает перед учеными поистине огромные возможности в исследовании физических процессов, протекающих вблизи абсолютного нуля. При этих температурах сильно замедляется тепловое движение молекул и все известные жидкие и газообразные вещества становятся твердыми (заметим в скобках, что в твердом состоянии гелий можно получить лишь при температуре —271,9° и давлении 26 атм; все остальные газы при понижении температуры переходят в твердое состояние при нормальном давлении).

ФИЗИЧЕСКИЕ исследования вблизи абсолютного нуля уже привели к открытию таких фундаментальных явлений, как сверхтекучесть и сверхпроводимость. Практическое применение сверхтекучести открывает возможность создания сверхточного гидроскопа, чрезвычайно важного в полетах космических кораблей. А сверхпроводимость уже используется для создания сверхмощных магнитных полей (при весьма малых габаритах магнитов). Сверхпроводниковые приборы в виде магнитных линз с чрезвычайной разрешающей способностью в скором времени дадут человеку возможность увидеть удивительный мир атомов, то есть увидеть изображения-тех основных частиц, из которых состоят все вещества Вселенной. Благодаря сверхпроводимости реальными станут передачи энергии без потерь. Практически это означает, что при тех же мощностях электростанций можно будет значительно увеличить потребление электроэнергии. Низкие температуры открывают большие перспективы также в создании сверхпрочных материалов. Так, уже создан сплав, в десятки раз превосходящий по твердости алмаз. Этот замечательный успех — результат того, что ученым удалось искусственно сформировать кристаллическую решетку, близкую к идеальной.

Удивительные особенности низких температур пока еще полностью не раскрыты. Но, проникая все глубже и глубже в тайны сверхнизких температур, ученые уже сейчас видят их огромные перспективы, связанные, в частности, с быстрым развитием в последнее время криогенной техники («криос» по-гречески значит холод).

Физическими исследованиями при низких температурах занимаются и многие ученые Латвии. В частности, Институт физики АН Латвийской ССР проводит при низких температурах целый комплекс исследований по физике твердого тела. Уже получены очень интересные и важные результаты, определяющие некоторые свойства ионных кристаллов и полупроводников. На атомном реакторе в Саласпилсе разработан специальный криогенный канал, с помощью которого будут проводиться эксперименты по облучению нейтронами твердых тел при температурах ниже —150° С. Для получения подобных температур на реакторе имеется криогенная установка типа ЖА-20, вырабатывающая жидкий азот из атмосферного воздуха. Для получения более низких температур (порядка —269° С) у нас будет установлен детандерный ожижитель гелия. Все это позволит латвийским физикам вести более глубокие исследования при низких температурах.

Каким же образом получают сверхнизкие температуры?

Еще в далеком прошлом человек научился пользоваться холодом для удовлетворения своих нужд. Вначале он обратился к таким естественным охлаждающим веществам, как снег и лед. Затем, в результате ,наблюдений над природой, человек стал замечать и использовать и такое явление, как охлаждение при испарении. Древние египтяне для охлаждения жидкостей применяли своеобразные пористые сосуды. Жидкость, налитая в такие сосуды, просачивалась сквозь мелкие поры и, испаряясь, охлаждала сосуд. Вязкость не давала возможности этой жидкости быстро протекать сквозь поры, поэтому она даже в очень жаркое время оставалась прохладной. В более поздние времена человек начал получать в летнее время настоящий «мороз». Для этого он создавал специальные охлаждающие смеси (состоящие из солей и толченого льда или снега), понижавшие температуру до —20° С.

Разумеется, таким способом особенно низких температур не получишь. Низкие температуры, то есть такие, каких не встретишь в естественных условиях (к ним относятся температуры, лежащие ниже —150°С), в настоящее время получают в специальных криогенных аппаратах; Процесс этот связан с ожижением газов. Температура превращенного в жидкость или ожиженного газа очень низка. Так, температура жидкого кислорода равна —183° С, воздуха —192° С, азота —196° С, неона —246° С, водорода —253° С и гелия —269° С. Жидкий гелий является единственным исходным материалом для получения температур, близких к абсолютному нулю. Но вот ожижить гелий оказалось делом очень трудным, и понадобились годы поисков, чтобы в конце концов создать аппаратуру для его ожижения. Большая заслуга в этом важном деле принадлежит советскому ученому академику П. Л. Капице.

А теперь посмотрим, как развивалась техника глубокого охлаждения.

1ШАЗВИТИЕ криогенной техники шло по пути использования физических процессов, обеспечивающих охлаждение. Существует несколько способов охлаждения и ожижения газов. Один из них основан на охлаждении газа при его адиабатическом (то есть без теплообмена с окружающими его телами) расширении за счет внутренней энергии самого газа. Обнаружили это явление ученые Клеман и Дезорм в 1819 году. Экспериментируя, они заметили, что при выпускании из изолированного сосуда находящегося там под некоторым давлением газа оставшийся в сосуде газ тем временем охлаждается, причем охлаждается тем сильнее, чем большую работу он совершает. Почему же газ охлаждался? Оказалось вот что. Если газ сжат, то он нагревается. Нагревание же происходит вследствие того, что затрачиваемая на сжатие механическая энергия переходит в тепловую энергию движения молекул — и температура газа повышается. И наоборот, если дать газу возможность, производя какую-либо работу, быстро расширяться, то, чтобы проделать эту работу, ему потребуется тепловая энергия. А ее-то он может взять только у себя, иными словами — за счет своей внутренней энергии. Таким образом у газа уменьшается тепловая энергия и он, естественно, охлаждается.

Это было важное открытие. Но использовать его в то далекое время не могли по многим причинам и, в первую очередь, техническим.

ДРУГИМ методом охлаждения газов является дросселирование, в основе которого лежит эффект Джоуля—Томсона. В 1852 году известные английские ученые Джоуль и Томсон (Кельвин) открыли чрезвычайно интересное явление, заключавшееся в том, что когда сжатый газ (или просто воздух) пропускался через пористую перегородку или небольшое отверстие с целью понижения давления, то вместе с понижением давления понижалась и его температура. Понижение температуры в этом случае также происходило за счет расходования внутренней энергии газа на его расширение при уменьшении давления. Процесс пропускания через небольшое отверстие сжатого воздуха с целью понижения его давления называется дросселированием газа.

Многие, вероятно, видели, как покрывается изморозью шланг баллона высокого давления, когда из него выпускают воздух. Здесь как раз и действует закон дросселирования. Ученые установили, что для различных газов величина изменения температуры при дросселировании различна. В большинстве случаев она зависит от разности давления газов до и после расширения. Но когда стали дросселировать водород и гелий, оказалось, что вместо того, чтобы охлаждаться, они нагреваются. Долго искали причину этого явления, пока не выяснили, что у каждого газа имеется такая температура (называемая точкой инверсии),

при которой он при дросселировании будет охлаждаться. Такой точкой у водорода является —70° С, а у гелия — 233° С. Следовательно, чтобы ожижить водород и гелий при помощи дросселирования, их нужно предварительно охладить до температуры соответственно —70° С и —233° С. У других газов точка инверсии лежит значительно выше и предварительного охлаждения не требует.

И вот в 1877 году швейцарский ученый Пикте, используя явление охлаждения жидкостей при испарении и явление охлаждения газов при дросселировании, разработал «каскадный», метод ожижения воздуха. В том же году он вместе с ученым Кальете впервые получил жидкий воздух. Суть этого метода заключалась в том, что низкие температуры получались в результате ожижения газов (образующих «каскады»), отличавшихся друг от друга температурами конденсации. Так, применяя двойной каскад, Пикте ожижил кислород. В первой ступени каскада он получил температуру —65° С путем испарения под вакуумом жидкого сернистого ангидрида, во второй ступени получил температуру —130° С возгонкой, то есть непосредственным переходом твердой углекислоты, которая охлаждала сжатый кислород, из твердого в газообразное состояние под вакуумом. Охлажденный до —130° С кислород при последующем дросселировании частично сжижался и собирался в специальном сосуде. Установка Пикте давала всего несколько кубических сантиметров жидкости и работала периодически.

В дальнейшем каскадный метод был хорошо разработан и усовершенствован голландским физиком Камерлингом-Оннесом в им же основанной Лейденской лаборатории. Построенная в 1892 году каскадная установка могла давать 14 литров жидкого воздуха в час. Дополнив эту установку циклом водорода и гелия, Камерлинг-Оннес получил температуру —272,2° С, то есть примерно на 1° выше абсолютного нуля. Каскадный метод экономичен, но широкого распространения он не получил из-за его сложности, большого числа работающих компрессоров и вакуум-насосов, а также из-за наличия многих регулировочных вентилей.

Промышленное получение жидкого воздуха пошло по пути использования адиабатических процессов, в частности, дросселирования и адиабатического расширения с производством внешней работы. В 1895 году немецкий ученый Карл Линде построил установку по производству жидкого воздуха, основанную на принципе эффекта Джоуля — Томсона. В нее он ввел одну чрезвычайно важную деталь — противоточный обменник, предназначенный для накопления холода при дросселировании. В результате применения теплообменника отпала необходимость в каскадах. Установка Линде была простой и удобной в эксплуатации. Она работа по циклу высокого давления (200 атм) и состояла всего из не скольких основных частей: компрессора, теплообменника, дроссельного вентиля и сборника жидкого воздуха.

В том же 1895 году французский инженер Жорж Клод, используя явление адиабатического расширения газа с производством внешней работы, открытое Клеманом и Дезормом, построил установку с детандером, действовавшую по циклу среднего давления (40—50 атм). Детандер представлял собой машину, в которой производилось расширение газа и получался холод, накапливаемый затем в теплообменнике. Правда, ожижить воздух Клоду удалось гораздо позже — в 1902 году.

В дальнейшем метод Клода был усовершенствован Гейландтом, который применил высокое рабочее давление, упрощенную конструкцию детандера (без предварительного охлаждения воздуха, поступающего в детандер) и дросселирование.

Метод Гейландта в производстве жидкого воздуха, кислорода и азота используется и сейчас как наиболее производительный и удобный. Но установки, основанные на нем, применяются, в основном, для ожижения небольших количеств газа. Так, установка типа ЖА-20, действующая на атомном реакторе в Саласпилсе, производит всего 20 литров жидкого азота в час. Она представляет собой систему аппаратов, которые засасывают воздух из атмосферы, очищают его от пыли, .влаги, углекислоты, сжимают до 200 атм и, дросселируя в блок разделения воздуха, ожижают его. Затем из ожиженного воздуха путем ректификации (используя разность температур испарения азота и кислорода, равную 13° С) выделяют азот и накапливают его в особой емкости, откуда жидкость сливается в специальные сосуды, называемые сосудами Дьюара (по фамилии изобретателя). Сосуды Дьюара — своеобразное сочетание шара в шаре, между которыми создается вакуум, — самая лучшая изоляция (ведь пустота не может передавать тепло). Кроме того, для устранения передачи тепла посредством излучения стенки шаров, обращенные в вакуум, полируются до зеркального блеска.

Надо сказать и о большом значении сосудов Дьюара для хранения ожиженных газов. Ведь жидкий воздух применяется и как источник кислорода, азота, аргона и других редких газов. Без сосудов Дьюара нельзя сохранить ни один из ожиженных газов, тем более таких, как водород и гелий. Для водорода и гелия в сосудах Дьюоара создается, кроме вакуумных полостей, еще рубашка из жидкого азота, которая предохраняет гелий или водород от притока тепла извне. Без такой азотной рубашки практически нельзя сохранить жидкий гелий, так как для того, чтобы испарить гелий, требуется очень незначительный подвод тепла — в десятки раз меньший, чем для кислорода или азота.

Для хранения больших количеств жидкого воздуха, кислорода, азота, водорода и гелия применяются специальные резервуары, называемые танками (по-английски «танк» значит чан). Танки бывают как стационарные, так и передвижные. Теплоизоляция в них — вакуумная или же состоит из специальных теплоизоляционных материалов. В последнее время (в основном для сохранения водорода и гелия) начали применять вакуумно-порошковую изоляцию, состоящую в том, что изолирующее вакуумное пространство заполняется мелким порошком (перлитом, аэрогелем). Применение порошков снижает требования к вакууму и упрощает процесс его изготовления. В танках жидкости могут сохраняться в течение нескольких дней или даже недель.

Развитие же воздушных ожижителей большой производительности пошло по пути использования турбодетандеров, в создании которых огромная заслуга принадлежит советскому ученому академику П. Л. Капице. В 1939 году академик Капица разработал холодильный цикл, на основе которого построил турбодетандер (его к.п.д. равен 80 процентам), позволяющий ожижить воздух только при низком давлении, без. каких-либо дополнительных источников холода. А это означает, что значительно упрощается процесс ожижения, улучшается безопасность работы, удешевляется себестоимость жидкого воздуха.

Мы рассмотрели способы получения так называемых «азотных» температур, то есть жидкого воздуха, азота и кислорода. Для получения водородных и гелиевых температур (температур порядка —253 и —269° С) применяются те же самые методы, что и для воздуха. Однако при ожижении водорода и гелия существуют некоторые осложняющие обстоятельства, о которых мы уже говорили выше, — это низкие точки инверсии. Поэтому во всех ожижителях, как в водородных, так и гелиевых, основанных на эффекте Джоуля — Томсона, для предварительного охлаждения газа используется жидкий воздух или азот. Причем для водородных ожижителей требуется только жидкий воздух или азот, а для гелиевых — жидкий азот и жидкий водород. Естественно, что и аппаратура для ожижения водорода и гелия значительно сложнее, чем для ожижения воздуха. Ожижители бывают водородные и гелиевые, но часто применяются и комбинированные водородно-гелиевые.

Выше уже отмечалось, что жидкий гелий впервые получил каскадным методом Камерлинг-Оннес, использовавший жидкий водород для охлаждения гелия до точки инверсии. Но подобный цикл для производства очень опасен из-за способности водорода в определенных концентрациях с воздухом взрываться. Вот почему ученые неустанно искали способ ожижения гелия без водородного цикла. И такой способ был найден академиком Капицей. Для предварительного охлаждения гелия он предложил использовать жидкий азот, а холод получать за счет адиабатического расширения гелия в поршневом детандере, накапливая его в противоточном теплообменнике.

Детандерная установка для ожижения гелия, сконструированная Капицей, одно время находилась в павильоне «Наука» на ВДНХ СССР. В настоящее время такая установка монтируется на атомном реакторе в Саласпилсе, она позволит научным сотрудникам Института физики АН Латвийской ССР приступить к физическим исследованиям вблизи абсолютного нуля.

Наше знакомство с криогенной техникой было весьма кратким. Мы говорили лишь о некоторых направлениях техники глубокого охлаждения. За последние годы техника низких температур далеко шагнула вперед, и можно с уверенностью сказать, что в скором времени будут построены еще более совершенные аппараты для производства холода, при помощи которых можно будет приблизиться к абсолютному нулю. Но отрадно отметить, что уже сейчас получена температура, равная 0,001° К. А это достижение немаловажное.

Тэги: сверхнизкие температуры, абсолютный ноль температуры, абсолютный ноль по кельвину, самая низкая температура