гелий надо хранить в специальных сосудах, имеющих исключительно хорошую
теплоизоляцию.
Решать эту проблему конструкторам сверхпроводящих магнитов фактически не
пришлось. Они воспользовались плодами разработок, проведенных теми, кто
занимался вопросами освоения космоса. Успехи ученых и инженеров СССР и США,
работающих над задачей хранения ракетного топлива в сосудах-криостатах, привели
к созданию надежной конструкции и эффективного способа изоляции таких сосудов. В
них можно хранить жидкий гелий в течение нескольких месяцев.
Наиболее прогрессивным до сего времени методом охлаждения газообразного гелия
является метод получения его в жидком виде с помощью созданного академиком
П.Л.Капицей в 1934 г. поршневого детандера. Сущность этого метода заключается в
том, что газообразный гелий расширяется в специальном сосуде — детандере, толкая
при этом поршень, т. е. совершает некоторую работу, отдавая энергию. При этом
гелий охлаждается. Многократно повторяя цикл, можно в принципе добиться того,
что гелий охладится до 4,2 К и превратится в жидкость. Чаще всего, однако,
охлаждение гелия в поршневом детандере сочетается с другими способами
охлаждения, например дросселированием.
При дросселировании предварительно сжатый и охлажденный гелий пропускается через
узкую щель — дроссель, где он расширяется. Физическая сущность охлаждения при
дросселировании (эффект Джоуля — Томсона) состоит в том, что при увеличении
объема газа, происходящем при расширении в дросселе, межмолекулярные расстояния
в газе растут, при этом совершается некоторая работа против сил притяжения. Газ
теряет свою внутреннюю энергию и, следовательно, охлаждается.
Один из "классических" детандерных ожижителей гелия создан в Институте
физических проблем АН СССР. Опишем принцип его работы.
Поршневой компрессор сжимает гелий, поступающий из газгольдеров, и подает его в
ожижитель. Туда поступает около 350 м3/ч газообразного гелия, сжатого до 22…23
атм. Сначала гелий охлаждают в ванне с жидким азотом (70 К). Затем часть
охлажденного гелия поступает в поршневой детандер, где гелий расширяется,
заставляя двигаться поршень, причем температура гелия в это время падает до
11…12 К. Холодный гелий используется теперь для охлаждения новых порций гелия.
Другая часть газообразного охлажденного гелия поступает в так называемую
дроссельную ступень, где газ заставляют пройти через дроссель. При этом уже
основательно охлажденный газ еще больше охлаждается, частично превращаясь в
жидкость (сжижается примерно около 10 % первоначально имевшегося количества
гелия).
Производительность аппарата 45 л/ч, расход электроэнергии 2,5 кВт·ч/л
жидкого гелия. Такая производительность, однако, не предел. За последние годы в
СССР и США созданы гелиевые ожижительные установки производительностью 200 л/ч и
более. Мала или велика эта производительность?
Теплота испарения жидкого гелия настолько низка, что электролампочка мощностью 4
Вт, работающая в жидком гелии, испарила бы более 50 л жидкого гелия за 1 ч!
Тем не менее полное отсутствие сопротивления у сверхпроводящих обмоток и,
следовательно, отсутствие выделения тепла позволяют обходиться такими
количествами жидкого гелия даже для самых крупных обмоток. Важно лишь обеспечить
очень хорошую теплоизоляцию области, где находится сверхпроводящая обмотка, с
тем чтобы тепло не поступало в эту область извне.
Самая лучшая теплоизоляция — это высокий вакуум (остаточное давление 10-5…10-6
мм рт. ст.). Теплопроводность остаточного газа в этом случае ничтожно мала для