Низькі температури, криогенні температури, зазвичай температури, лежачі нижче точки кипіння рідкого повітря (близько 80 До). Такі температури прийнято відлічувати від абсолютного нуля температури (—273,15 °С, або 0 До) і виражати в кельвінах (К). На 13-м-коді конгресі Міжнародного інституту холоду в 1971 була прийнята рекомендація, згідно якої криогенними температурами слідує називати температури нижче 120 К. Однако ця рекомендація ще не набула широкого поширення; у даній статті розглядаються Н. т. з верхнім кордоном ~ 80 До.
Здобуття низьких температур. Для здобуття і підтримки Н. т. зазвичай використовують зріджені гази. У судині Дьюара, що містить зріджений газ, що випаровується під атмосферним тиском, досить добре підтримується постійна температура нормального кипіння T n хладоагента. Практично застосовують наступні хладоагенти (зріджені гази): повітря ( T N = 80 До), азот ( T n = 77,4 До), неон ( T N = 27,1 До), водень ( T N = 20,4 До), гелій ( T N = 4,2 До). Для здобуття рідких газів служать спеціальні установки — зріджувачі, в яких сильно стислий газ при розширенні до звичайного тиску охолоджується і конденсується (див. Зріджування газів, Джоуля — Томсона ефект ) . Зріджені гази можуть зберігатися достатньо довго в Дьюара судинах і кріостатах з хорошою теплоізоляцією (порошкові і пористі теплоїзолятори, наприклад пінопласти).
Відкачувавши газ, що випаровується, з герметизованої судини, можна зменшувати тиск над рідиною і тим самим знижувати температуру її кипіння. Т. о., зміною тиску пари над киплячою рідиною можна регулювати її температуру. Природна або примусова конвекція і хороша теплопровідність хладоагента забезпечують при цьому однорідність температури у всьому об'ємі рідини. Таким дорогою удається перекрити широкий діапазон температур: від 77 До до 63 До за допомогою рідкого азоту, від 27 До до 24 До — рідкого неону, від 20 До до 14 До — рідкого водню, від 4,2 До до 1 До — рідкого гелію. Методом відкачування не можна отримати температуру нижче потрійної точки хладоагента. При нижчих температурах речовина твердне і втрачає свої якості хладоагента. Проміжні температури, лежачі між вказаними вище інтервалами, досягаються в спеціальних кріостатах. Охолоджуваний об'єкт теплоїзоліруют від хладоагента, наприклад, поміщають його всередину вакуумної камери, зануреної в зріджений газ.(газета) При невеликому контрольованому виділенні теплоти в камері (у ній є електричний нагрівач) температура досліджуваного об'єкту підвищується в порівнянні з температурою кипіння хладоагента і може підтримуватися з високою стабільністю на необхідному рівні. У ін. способі здобуття проміжних температур охолоджуваний зразок поміщають над поверхнею хладоагента, що випаровується, і регулюють швидкість випару рідини нагрівачем. Відведення теплоти від досліджуваного об'єкту тут здійснює потік відкачуваного газу. Застосовується також метод охолоджування, при якому холодний газ, що отримується при випарі хладоагента, проганяється через теплообмінник (зазвичай мідна трубка, звита в спіраль, або блок пористої міді), що знаходиться в тепловому контакті з охолоджуваним об'єктом.
Гелій при атмосферному тиску залишається рідким аж до абсолютного нуля температури. Проте при відкачуванні пари рідкого 4 He зазвичай не удається отримати температуру істотно нижче 1 До навіть за допомогою дуже потужних насосів (цьому заважають надзвичайно мала пружність насиченої пари 4 He і його надтекучість ) . Тому для досягнення температур порядку десятих доль Кельвіна вживають ізотоп гелію 3 He ( T n = 3,2 До), який не є надплинним при даних температурах. Відкачувавши , що випаровується, 3 He, удається знизити температуру рідини до 0,3 К. Область температур нижче 0,3 До прийнято називати наднизькими температурами. Для здобуття таких температур застосовуються різні методи. Методом адіабатичного розмагнічування (магнітного охолоджування ) з вживанням парамагнітної солі як система, що охолоджує, удається досягти Н. т. ~ 10 -3 К. Тем же методом з використанням парамагнетизму атомних ядер були досягнуті Н. т. ~ 10 -6 К. Прінципіальную проблему в методі адіабатичного розмагнічування (як, втім, і в ін. методах здобуття Н. т.) складає здійснення хорошого теплового контакту між об'єктом, який охолоджують, і системою, що охолоджує. Особливо це важко досяжно у випадку системи атомних ядер. Сукупність ядер атомів можна охолодити до наднизьких температур, але добитися такої ж міри охолоджування речовини, що містить ці ядра, не удається.
Для здобуття температур порядка декілька м-код До тепер широко користуються зручнішим методом — розчиненням рідкого 3 He в рідкому 4 He. Вживана для цієї мети установка називається рефрижератором розчинення ( мал. 1 ). Дія рефрижераторів розчинення заснована на тому, що 3 He зберігає кінцеву розчинність (близько 6%) в рідкому 4 He аж до абсолютного нуля температури. Тому при зіткненні майже чистого рідкого 3 He з розбавленим розчином 3 He в 4 He атоми 3 He переходитимуть в розчин. При цьому поглинається теплота розчинення, і температура розчину знижується. Розчинення здійснюється в одному місці приладу (у камері розчинення), а видалення атомів 3 He з розчину шляхом відкачування — в іншому (у камері випару). При безперервній циркуляції 3 He, здійснюваною системою насосів і теплообмінників, можна підтримувати в камері розчинення температуру ~ 10—30 м-код К . необмежено довго. Холодопроїзводітельность таких рефрижераторів визначається продуктивністю насосів, а гранично досяжна Н. т. (декілька м-код До) — ефективністю теплообмінників і усуненням паразитного припливу теплоти. Гелій 3 He можна охолодити ще сильніше, використовуючи Померанчука ефект . Рідкий 3 He твердне при тиску більше 30 бар. В області температур нижче 0,3 До збільшення тиску (у межі до 34 бар ) супроводиться поглинанням теплоти і пониженням температури рівноважної суміші рідкої і твердої фаз (твердіння йде з поглинанням теплоти). Таким дорогою були досягнуті температури ~1—2 м-код К .
Вимір низьких температур. Первинним термометричним приладом для виміру термодинамічної температури аж до 1 До служить газовий термометр . Ін.(Древн) варіантами первинного термометра є акустичний і шумовий термометри, дія яких заснована на зв'язку термодинамічної температури відповідно із значенням швидкості звуку в газі і інтенсивністю теплових флуктуацій напруги в електричному ланцюзі. Первинні прецезіонниє термометри використовуються в основному для визначення температур легко відтворних фазових равновесий в однокомпонентних системах (т.з. крапок реперів), які служать опорними температурними точками Міжнародної практичної температурної шкали (МПТШ-68). В області Н. т. такими крапками реперів є: потрійна точка рівноважного водню (13, 81 До), точка рівноваги між рідкою і газоподібною фазами рівноважного водню при тиску 25/76 нормальною атмосфери (17,042 До), точка кипіння T N рівноважного водню (20,28 До), T N неону (27,102 До), потрійна точка кисню (54,361 До), T N кисню (90,188 До).
Для відтворення будь-якого значення температури від 630,74 °С до 13,81 До по МПТШ-68 з точністю ~ 0,001 До служить платиновий термометр опору . В діапазоні Н. т. температура по МПТШ-68 відрізняється від достеменного термодинамічного значення не більше ніж на 0,01 До. МПТШ-68, поки не продовжена нижче 13,8 До, зважаючи на відсутність в цій області Н. т. вторинного термометра, не поступливого по чутливості, точності і відтворюваності свідчень платиновому термометру опору при вищих температурах. У діапазоні 0,3—5,2 До низькотемпературна термометрія заснована на залежності тиску насиченої пари p s гелію від температури Т, встановлюваною з допомогою газового термометра. Ця залежність була прийнята як міжнародна температурна шкала в області 1,5—5,2 До (шкала 4 He, 1958) і 0,3—3,3 До (шкала 3 He, 1962). Залежність p s ( T ) в цих температурних діапазонах не може бути представлена простою аналітичною формулою і тому табулюється; табличні дані забезпечують точність визначення температури до тисячної долі Кельвіна.
В області Н. т. для цілей практичної термометрії застосовують головним чином термометри опору (до 20 До — мідний; в області водневих і гелієвих температур — аж до 1 м-коду К — вугільні, опір яких зростає при пониженні температури). Застосовують також термометри опору з чистого германію. Висока стабільність і достатня чутливість роблять їх зручним інструментом виміру температури нижче 100 До.
Існує ряд ін. чутливих до змін температури пристроїв, які можуть бути використані як вторинні термометри для виміру Н. т.: термопари, термістори, напівпровідникові діоди, датчики з надпровідних сплавів (в області гелієвих і водневих температур).
Нижче 1 До газовим термометром користуватися практично не можна. Для визначення термодинамічної температури в цій області використовують магнітні і ядерні методи. У магнітній термометрії користуються поняттям магнітної температури Т*, яку визначають з вимірів магнітній сприйнятливості з парамагнітної солі. Згідно Кюрі закону, при досить високих температурах з ~ 1/ T* . Для багатьох солей закон Кюрі справедливий і при гелієвих температурах. Екстраполюючи цю закономірність в ділянку наднизьких температур, визначають магнітну температуру як величину, обернено пропорційну до сприйнятливості. Для здобуття точних результатів необхідно враховувати різні побічні чинники: анізотропію сприйнятливості, геометричну форму зразка і ін. Ділянка температур, в якій магнітна температурна шкала досить близька до термодинамічної, залежить від конкретної солі. Найширше для виміру наднизьких температур до 6 м-код До застосовують магнієвий для церію нітрат, для якого розбіжність шкал при вказаній температурі менше 0,1 м-код К . В основі ядерних методів виміру Н. т. лежить принцип квантової статистичної фізики, згідно з яким рівноважна заселеність дискретних рівнів енергії системи залежить від температури. У одному з таких методів вимірюється інтенсивність лінії ядерного магнітного резонансу, визначувана різницею заселеності рівнів ядерних магнітних моментів в магнітному полі. У ін. методі визначається залежне від температури відношення інтенсивностей компонент, на які розщеплюється лінія резонансного гамма-випромінювання (Мессбауера ефект ) у внутрішньому магнітному полі феромагнетика.
Аналогом термометрії по тиску насиченої пари в області наднизьких температур є вимір температури в діапазоні 30—100 м-коду До по осмотичному тиску 3 He в суміші 3 He — 4 He. Абсолютна точність вимірів — близько 2 м-код До при чутливості осмотичного термометра 0,01 м-коду К .
Фізика низьких температур. Вживання Н. т. зіграло вирішальну роль у вивченні стану, що конденсував. Особливі багато нових і принципових фактів і закономірностей було відкрито при вивченні властивостей різних речовин при гелієвих температурах. Це привело до розвитку спеціального розділу фізики — фізики Н. т. При пониженні температури у властивостях речовин починають виявлятися особливості, пов'язані з наявністю взаємодій, які при звичайних температурах пригнічуються сильним тепловим рухом атомів. Нові закономірності, виявлені при Н. т., можуть бути послідовно пояснені лише на основі квантової механіки . Зокрема, принцип невизначеності квантової механіки і витікаюче з нього існування нульових коливань при абсолютному нулі температури пояснюють той факт, що гелій залишається в рідкому стані аж до 0 До (див. Квантова рідина ) . найяскравіше квантові закономірності виявляються при Н. т. в явищах надтекучість і надпровідності . Вивчення цих явищ складає важливу частину фізики Н. т. З 60-х рр. 20 ст відкритий ряд цікавих ефектів, в яких особливе значення має просторова когерентність хвилевих функцій на макроскопічних відстанях (надпровідне туннелірованіє, Джозефсона ефект ) . Велике значення має вивчення властивостей рідкого 3 He, який є прикладом нейтральної квантової фермі-рідіні. Як тепер з'ясовано, при температурах близько 3 м-код До і тиску близько 34 бар 3 He зазнає фазове перетворення, що супроводиться значним зменшенням в'язкості (переходить в надплинний стан).
Розвиток фізики Н. т. в значній мірі сприяло створенню квантової теорії твердого тіла, зокрема загальної теоретичної схеми, згідно якої стан речовини при Н. т. може розглядатися як суперпозиція ідеально впорядкованого стану, відповідного 0 До, і газу елементарних збуджень — квазічастинок . Введення різних типів квазічастинок (фонони, дірки, магнони і ін.) дозволяє описати різноманіття властивостей речовин при Н. т. Термодинамічні властивості газу елементарних збуджень визначають спостережувані макроскопічні рівноважні властивості речовини. У свою чергу, методи статистичної фізики дозволяють передбачити властивості газу збуджень з характеру зв'язку енергії і імпульсу квазічастинок (закону дисперсії). Вивчення теплоємності, теплопровідності і ін. теплових і кінетичних властивостей твердих тіл при Н. т. дає можливість встановити закон дисперсії для фононів і ін. квазічастинок. Температурна залежність намагніченості ферро- і антиферомагнетиків пояснюється в рамках закону дисперсії магнонов (хвиль спинів ) . Вивчення закону дисперсії електронів в металах складає ще один важливий розділ фізики Н. т. Ослабіння теплових коливань грат при гелієвих температурах і вживання чистих речовин дозволили з'ясувати особливості поведінки електронів в металах (див. Гальваномагнітні явища, Де Хааза — ван Альфена ефект, Циклотронний резонанс ) . Вживання Н. т. грає велику роль при вивченні різних видів магнітного резонансу .
Охолоджування до наднизьких температур застосовується в ядерній фізиці для створення мішеней і джерел з поляризованими ядрами при вивченні анізотропії розсіяння елементарних часток. Такі джерела дозволили, зокрема, поставити вирішальні експерименти з проблеми незбереження парності . Н. т. застосовуються при вивченні напівпровідників, оптичних властивостей молекулярних кристалів і в багатьох ін. випадках.
Технічні додатки низьких температур. Одна з головних сфер застосування Н. т. в техніці — розділення газів. Виробництво кисню і азоту у великих кількостях засновано на зріджуванні повітря з подальшим розділенням його в колонах ректифікацій на азот і кисень. Вживання рідкого кисню і азоту багатообразно, зокрема кисень служить окислювачем в ракетному паливі. Н. т. використовують для здобуття високого вакууму методом адсорбції на активованому вугіллі або цеоліті (адсорбційний насос ) або безпосередній конденсації на металевих стінках судини з хладоагентом (кріонасос; мал. 2а, би ). Високий вакуум і охолоджування до Н. т. дозволяють імітувати умови, характерні для космічного простору, і проводити випробування матеріалів і приладів в цих умовах. Охолоджування до температур рідкого повітря або азоту почало знаходити важливі вживання в медицині. Використовуючи прилади, здатні виробляти локальне заморожування тканин до Н. т., здійснюють оперативне лікування мозкових пухлин, урологічних і ін. захворювань. Є також можливість тривалого зберігання живих тканин при Н. т.
Ін.(Древн) напрям технічних вживань Н. т. пов'язано з додатками надпровідності. Тут найбільш важливу роль грає створення сильних магнітних полів (~ 10 3 ке ), необхідних для прискорювачів заряджених часток, трекових приладів (бульбашкових камер і ін.), магнітогідродинамічних генераторів і багатообразних лабораторних досліджень (див. Магніт надпровідний ) . На основі явища надпровідного туннелірованія розроблені надпровідні квантові інтерференційні пристрої, здатні вимірювати надзвичайно слабку електричну напругу (~ 10 -14 в ), а також реєструвати дуже малі зміни магнітного поля (~ 10 -11 е ). Н. т. грають також велику роль в квантовій електроніці .
Літ.: Фізика низьких температур пер.(переведення) з англ.(англійський) під общ. ред. А. І. Шальникова, М., 1959; Уайт Р. До., Експериментальна техніка у фізиці низьких температур, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1961; Земанський М., Температури дуже низькі і дуже високі, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1968; Роуз-Інс А., Техніка низькотемпературного експерименту, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Мендельсон До., На шляху до абсолютного нуля, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1971; Лінтон Е., Надпровідність, пер.(переведення) з англ.(англійський), 2 видавництва, М., 1971; Пегаков Ст П., Властивості He 3 і його розчинів в He 4 , «Успіхи фізичних наук», 1968, т. 94, ст 4, с. 607; Довідник по фізікотехнічеським основах кріогеникі, під общ. ред. М. П. Малкова, 2 видавництва, М-коди;, 1973; Progress in low temperature physics, ed. by C. J. Gorter, v. 6, Amst., 1970.
