低溫專題 | 低溫與真空

根據(jù)氣體的狀態(tài)方程PV=nRT，腔體內(nèi)的氣壓與其內(nèi)氣體分子的溫度是直接相關(guān)的，因此既可以通過調(diào)節(jié)溫度來改變腔室氣壓（即真空度），也可以通過改變真空來獲得低溫。

通過改變溫度提高真空度

表1給出了大氣的標(biāo)準(zhǔn)成分。圖1給出了各種氣體的飽和蒸氣壓的溫度關(guān)系曲線。由圖1可見，溫度降到20K時(shí)，除了氖、氫、氦等難凝結(jié)的氣體外，空氣中所有其他成分的飽和蒸汽壓均低于10-10 torr。于是，當(dāng)充滿空氣的密閉容器冷卻到20K時(shí)，真空即可達(dá)到1.2E-3 torr；冷到4.2K時(shí)只剩下氦氣，真空度可達(dá)到5E-5torr。冷凝泵的冷表面一般可選在14-20K左右，并采用先用易凝結(jié)氣體沖洗或先用其他泵抽真空等辦法，大幅度減少被抽系統(tǒng)中氫、氦等難凝結(jié)氣體的數(shù)量。工作過程中漏入系統(tǒng)的少量難凝結(jié)氣體亦可用其他泵抽走。

【表1】 標(biāo)準(zhǔn)大氣成分

【圖1】各種氣體飽和蒸汽壓的溫度關(guān)系

通過改變壓強(qiáng)（真空度）獲得低溫

凡是伴隨著低溫吸熱的物理過程都可以用來制冷。一類是相變制冷，即利用液體在低溫下的蒸發(fā)過程或固體在低溫下的融化或升華過程從被冷卻物體吸取熱量以制取冷量。另一類則通過改變液體上方蒸氣的壓強(qiáng)，從而改變液池溫度，如氣體絕熱膨脹制冷，高壓氣體經(jīng)絕熱膨脹即可達(dá)到較低的溫度，令低壓氣體復(fù)熱即可制取冷量。例如：

1）  低溫液體如液氮、液氦可以獲得77K和4.2K的低溫。

通過抽氣系統(tǒng)對(duì)液面上方的空間減壓，即可改變液池的溫度。壓強(qiáng)越低，則溫度也越低。表2和圖2分別給出了液氮和液氦飽和蒸汽壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。減壓所能達(dá)到的最低壓強(qiáng)，不僅取決于減壓系統(tǒng)的抽速，而且取決于到達(dá)液池的熱流大小。為了得到盡可能低的溫度，設(shè)法減少漏熱是很重要的。

【表2】液氮飽和蒸汽壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

【圖2】液氦飽和蒸汽壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2）  氣體等焓膨脹制冷

在一定壓力及溫度條件下，氣體通過節(jié)流閥或膨脹機(jī)進(jìn)行絕熱膨脹時(shí)，它的溫度會(huì)降低，甚至?xí)夯?。這種制冷方法常用于氣體分離和氣體液化及氣體制冷機(jī)中。對(duì)于實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓強(qiáng)的函數(shù)，氣體節(jié)流前后的焓值一般發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為焦耳-湯姆孫效應(yīng)。這就是JT制冷機(jī)制冷的原理。

3）氣體絕熱放氣制冷

當(dāng)容器中一定量的汽化氣體通過控制閥向環(huán)境介質(zhì)絕熱放氣(或用真空抽氣)時(shí)，則殘留在容器中的氣體將要向放出的氣體作推動(dòng)功，消耗它本身的一部分熱力學(xué)能(內(nèi)能) ，因而溫度降低。這也是氣體制冷機(jī)的原理之一。費(fèi)勉公司的閉循環(huán)樣品架是利用GM制冷機(jī)來提供冷量，而GM制冷機(jī)就是通過高壓氦氣的絕熱膨脹吸熱來制冷的。

真空與溫度的關(guān)系在固體材料中也有體現(xiàn)

固體也有飽和蒸氣壓。在一定條件下，固體表面動(dòng)能較大的分子能克服臨近分子的結(jié)合力逸出固體表面直接變?yōu)檎羝肿樱ㄉA），從而產(chǎn)生蒸氣壓，達(dá)到平衡時(shí)的壓力即是飽和蒸氣壓。比如干冰、碘等固體可直接由固體升華成氣體。和液體類似，固體材料在不同溫度下也有不同的飽和蒸氣壓，并且隨著溫度的升高而增大。和低溫相比，高溫下腔室的真空度普遍偏低，一方面是由于大量氣體分子的高溫脫附引起，另一方面，高溫下同種材料的飽和蒸氣壓變高，在沒有達(dá)到固-氣相動(dòng)態(tài)平衡之前，升華占主導(dǎo)地位，也會(huì)引起真空度變差。

   圖3 給出了固體材料的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系，飽和蒸氣壓隨著溫度的升高明顯增大。在相同溫度下，Pb，Zn，Cd三種金屬的飽和蒸氣壓相比其他金屬明顯偏高。因此這三種金屬及其合金不適用于超高真空環(huán)境。

【圖3】 固體材料的飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系