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絕熱去磁製冷-絕熱去磁製冷

時間:2022-04-28 16:15瀏覽次數:54
在極低的溫度下(<1K),一切氣體都已轉化爲液體或固體,包括液氦,僅依靠氣體膨脹製冷,難以達到更低的溫度。
20世紀20年代末,Debye在1926年和Giauque在1927年分別獨自提出可通過絕熱去磁實現更低的溫度。
這種製冷技術首次被化學家Giauque和他的同事D.P.MacDougall博士在1933年低溫實驗中得到證明,當時他們達到了0.25K,這個溫度僅可通過對液體He3抽真空得到,獲Giauque也因此獲得了諾貝爾獎。
2005年之前,人們用這種方法已經獲得0.001K以及更低的溫度。
該方法所根據的事實是:在固定溫度的情況下,磁矩系統的熵將由於外加磁場而減小。

定義

磁致冷是一種基於磁熱效應的製冷技術,這種技術既可以用來實現極低溫度,也可以在普通冰箱範圍使用。
該磁熱效應是磁熱力學現象,一個特殊材料的溫度可隨磁場強度而可逆變化,也被物理學家稱爲絕熱去磁,因爲他們應用這種過程的目的是專門爲了產生溫降。
任何一種金屬物質在磁場中均會產生附加磁場,如果產生的附加磁場與原磁場的方向相同,則該物質稱爲順磁性物質;反之,稱爲抗磁性物質,磁性製冷機中所採用的均是順磁性物質。
將順磁性鹽放在減壓液氦中(溫度在1K以下),並加入磁場,進行等溫磁化,然後在絕熱條件下去掉磁場,由於絕熱去磁作用需吸收大量磁化熱,便產生致冷效應(即溫度降低),最低溫度可達。

原理

熵是系統無序度的量度:無序度愈大,熵就愈高。
在磁場中,磁矩部分地排列整齊(部分有序),所以加磁場使熵降低。
如果降低溫度,熵也會降低,因爲這時有更多的磁矩排列整齊。
若在磁化以後,能夠保持自旋系統的熵不變而將磁場撤去,那麼自旋系統的有序度所相應的溫度看來比同樣的有序度在磁場存在時所相應的溫度爲低。
當樣品絕熱去磁時熵只可能從晶格振動系統流入自旋系統,如圖1所示。
在感興趣的溫度下,晶格振動的熵通常小到可以忽略,因此在樣品絕熱去磁的過程中,自旋系統的熵基本上不改變。
去磁致冷是單次操作的,不能循環進行。
圖1.絕熱去磁過程中樣品的總熵不變首先求出N個離子系統的自旋熵表達式,每個離子的自旋爲S,系統處在足夠高的溫度下,以致自旋排列完全無序。
即假定T遠高於某個特徵溫度△,△表徵傾向於使自旋擇優取向的相互作用能量( )。
如果系統可以取G個態,則它的熵定義爲。
溫度升高到每個離子的個態被佔據的情況幾乎相同時,G就是把N個自旋安排到個態被佔據的情況中去的一切方式的總數。
因此,而自旋熵爲:當磁場使這個態的能量分開時,如果在低能量狀態上的布居數(即粒子數)增加,那麼就意味着外加磁場使這一自旋熵減小。
致冷過程的程序步驟示於圖2。
在溫度之下加磁場,樣品與周圍環境保持良好的接觸,過程的這一步以等溫線ab表示,然後樣品絕熱去磁。
過程沿等熵線bc進行,最終到達溫度。
T時的熱接觸由氮氣提供,用泵抽去氮氣以除去熱接觸。
圖2.自旋(1/2)系統的熵作爲溫度的函數分佈於一個磁致子能級( magnetic sublevel)上的粒子數僅僅是的函數,因而只依賴於;自旋系統的熵又只是粒子分佈的函數,因此自旋熵也只是B/T的函數。
如果表示對應於這種局域相互作用的有效場,那麼在絕熱去磁實驗中達到的最終溫度就是:其中B表示初始磁場,代表初始溫度。

應用

(a).

外加磁場強度的降低,材料中分子運動,使得原來磁熱材料內部的各個區域(磁疇)重新失去方向。
如果材料被孤立開來,例如絕熱過程,磁疇將吸收熱能已重新排布,結果使其溫度下降。
如圖3所示,釓合金在磁場內部先被磁化加熱,然後把熱能散到環境中,此時它若離開磁場,則其溫度會比進入的時候更冷。
磁熱效應最顯着的例子之一是化學元素釓及其一些合金。
當進入某一磁場時,釓的溫度會上升;當它離開磁場。
溫度下降釓合金的磁熱效應更加強。
鐠與鎳()合金的磁熱效應最強,它使得科學家能夠達到離絕對零度只有千分之一的範圍內。
2001年,已可成功地研製出可在室溫下商業應用化的材料和永久磁鐵,可用於製造可廣泛使用的磁熱製冷機。
圖3

(b).

圖4爲順磁性鹽的熵一溫圖,先在時加入磁場進行等溫磁化(過程),然後絕熱去磁(過程),溫度便從下降到。
一般在絕熱去磁過程中所用的順磁性鹽類主要有:鐵銨、鉻鉀礬、硝酸飾鎂等鹽類。
圖4是一個用絕熱去磁方法產生低溫的實驗裝置示意圖。
其過程如下:圖4.順磁性鹽絕熱去磁過程的熵--溫圖1.先將順磁性鹽用一根細絲懸掛在一個裝有低壓氣態氮的管子中,將管子上部的閥門關閉,再把管子放入裝有減壓液氦的杜瓦瓶內,由於管子內的低壓氮氣與減壓液氦進行充分熱交換,使順磁性鹽的溫度達到與減壓液氦的溫度1K左右相接近,見圖4(a)。
2.緩慢加入磁場,這時順磁性鹽產生的磁化熱.通過與氮氣進行熱交換後傳遞給液氦,順磁性鹽的溫度繼續保持在左右,見圖4(b)。
3.打開閥門,抽去存放順磁性鹽管於內的氮氣,並使其和周圍液氦隔熱,見圖22(c) 。
4.關閉閥門,去掉磁場,順磁場的溫度就下降。
如順磁性鹽和適當的磁場強度,可以獲得的極低溫度,絕熱去磁製冷方法主要用於原子能工業等科研部門。
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