Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
Поток тепла Q, обусловленный теплопроводностью, как известно, определяется формулой
<2 = к(А/[)АТ,
где к -коэффициент теплопроводности, Л-площадь поверхности, через которую происходит теплопередача, /-расстояние между поверхностями, ограничивающими область теплопередачи, ДТ- разность температур этих поверхностей. Коэффициент теплопроводности к зависит от температуры таким образом, что охлаждение испаряющимся газом электрических проводов, идущих к объему с жидким гелием, может существенно изменить распределение температуры и уменьшить количество тепла, поступающего к жидкому гелию. Это уменьшение обычно составляет от 0,5 до 0,99 исходного количества поступающего тепла (Scott, 1959). Для изготовления дьюаров чаще используют сплавы, поскольку они обладают меньшей теплопроводностью, чем чистые металлы. Обычно применяют трубы и проволоку из сплавов кремний - медь, бериллий - медь, никель - медь или из нержавеющей стали. Данные по теплопроводности многих материалов можно найти в работах справочного характера (Gibbons, 1971, р. 678; Powell, Blanpied, 1954). При изготовлении сквид-систем, в которых необходимо применять только немагнитные и даже неметаллические конструкции, используют различные композитные материалы на основе эпоксидных смол с тканевыми наполнителями из стекла, кварца и кевлара.
3.2. Теплопередача путем излучения
Примерно половина количества тепла поступает в дьюар с жидким гелием путем излучения, которое осуществляется через вакуум между стенками дьюара, через отверстия труб, предназначенных для подвески объема с жидким гелием, для заливки жидкого и выхода газообразного гелия, и через другие отверстия. Плотность потока тепла QT, переносимого путем излучения через вакуумное пространство, в котором расположено п отражающих слоев, задается соотношением (Scott et al., 1968, p. 168)
л °(7?-71)
6, = s ,, , n , (32)
2(n + 1)
где с излучательная способность отражающей поверхности (выбранная для простоты одинаковой для всех поверхностей), ст = 5,67-10“12 Вт/(см2- К)-постоянная Стефана - Больцмана, Г, - температура в облас-
ти высоких температур (~ 290 К), Т2 - температура в низкотемпературной области (~4 К). Это соотношение выполняется строго только в отсутствие прямого контакта между отражающими слоями.
Для дьюара с несеребренными стенками, не имеющего радиационных экранов, Qr ~ 0,02 Вт/см2. Введение одного слоя алюминизированного майлара с е ~ 0,02 в качестве экрана уменьшает Qr в 200 раз до уровня 10“4 Вт/см2. Использование экрана из п слоев снижает теплопередачу в е/2 (и + 1) раз. На практике пространство, которое может быть заполнено слоями отражающего материала, обычно весьма ограничено из-за необходимости уменьшения размеров и массы дьюара, так что слои приходится разделять только тонкой прослойкой специальной стеклоткани, пренебрегая тем самым условием отсутствия теплового контакта между ними. При увеличении числа слоев в такой суперизоляции приток тепла за счет теплопроводности растет, а теплопередача путем излучения падает. Оптимальная плотность слоев в суперизоляции зависит от материала прослойки, характера расположения слоев отражающего материала, температуры каждого из слоев и давления остаточного газа, обычно имеющегося в вакуумном пространстве дьюара. Как правило, при комнатной температуре на 1 см в радиальном направлении приходится 50 слоев, а при температуре жидкого гелия-10 слоев. Более подробные сведения о многослойной вакуумной теплоизоляции содержатся в соответствующих обзорах (Scott et al., 1968, p. 170; Molnar, 1971).
3.3. Экраны, охлаждаемые испаряющимися хладагентами
Для дальнейшего улучшения теплоизоляции можно добавить к многослойной изоляции из отражающих слоев экраны, находящиеся в хорошем тепловом контакте с испаряющимся гелием. Такая комбинация высокого вакуума, многих отражающих слоев и охлаждаемых экранов называется суперизоляцией. Примерные размеры «типичного» дьюара для сквид-систем и расположение тепловых экранов показаны на рис. 4.12. В качестве отражающих слоев обычно используют пленку из алюминизированного майлара толщиной 50 мкм. Охлаждаемые экраны изготавливают из медной или алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм; они полностью охватывают сосуд с жидким гелием, располагаясь между отражающими слоями. Чтобы обеспечить контакт с испаряющимся гелием, экраны припаивают или приклеивают эпоксидной смолой к горловине. В дьюаре описанной конструкции с двумя экранами можно достичь плотности потока тепла 1-5 мкВт на 1 см2 наружной поверхности дьюара, что соответствует для пятилитрового дьюара, изображенного на рис. 4.12, суммарному теплопритоку к жидкому гелию около 20 мВт; это приводит к расходу гелия, равному 0,8 л в сутки. Около половины этого количества гелия расходуется из-за подвода тепла по горловине за счет теплопроводности, конвекции и излучения.
3.4. Конструкция дьюаров
Дьюары для сквид-систем должны быть достаточно прочными и в то же время легкими; кроме того, к ним предъявляются строгие требования с точки зрения минимального и правильного использования магнитных и металлических деталей. Эти требования становятся еще более критичными, когда дело касается конструкций, находящихся вблизи приемных катушек магнитометра. В криогенных системах сквидов чаще всего используют неметаллические композиционные материалы из стеклянной, кварцевой или кевларовой ткани, пропитанной эпоксидной смолой. Но поскольку стеклопластик (композиционный материал из стеклоткани и эпоксидной смолы) парамагнитен, его не следует применять для изготовления каркасов измерительных катушек и сосудов для гелия. Иногда наружную оболочку дьюара и внутренний сосуд изготавливают, наматывая на болванку нить из стекла или синтетического волокна с одновременной пропиткой эпоксидной смолой. Более удобен и общепринят метод склейки дьюаров из стеклопластиковых пластин и труб с помощью эпоксидной смолы. Металлические детали делают из алюминиевых сплавов (6061), нержавеющей стали (321) и сплавов меди с никелем, бериллием или кремнием. Из этих материалов нержавеющая сталь обладает наименьшей теплопроводностью, но наибольшей остаточной намагниченностью. Поскольку эта сталь обладает также способностью сильно намагничиваться при сварке и пайке серебром, не рекомендуется помещать детали из нее в чувствительной зоне магнитометра вблизи сквида. Нержавеющую сталь часто используют для изготовления горловины дьюара, поскольку при этом существенно уменьшается поступление тепла и снимается проблема диффузии гелия в вакуумное пространство дьюара. Сплавы кремний - медь применяют при конструировании высокочастотных экранов и изготовлении сосудов для гелия там, где можно использовать зависимость электропроводности этих сплавов от состава.
