4He超流转变温度复现研究

    1　引言

    近几十年来,随着对低温固定点研究的深入,密封式三相点瓶日益显示出优越性。1990年国际温标(ITS-90)在0℃以下9个定义点中,有6个低温固定点是三相点,还有3个点是氢和氦的蒸汽压点。三相点是气、液、固三相共存状态,温度值和压力值都是唯一的,不象蒸汽压温度计和气体温度计测量,需要精密的温度控制和精确的压力测量。三相点的另一优点是存在液体/固体相变潜热,自稳定性好,复现恒温器存在漏热时,可以通过液/固相所占份额的变化来补偿,可以获得平坦的相变温坪。用密封式三相点瓶复现三相点,能保证复现样品纯度可靠,同时还有装置紧凑、实验方便、易于携带、方便国际比对的优点,而且密封瓶还可作为一个理想的温度发生器,驱动一个大的热负载。

    饱和蒸汽压下的4He超流转变点(即通常所称4Heλ转变点)与三相点相似,其温度值和压力值是确定的,零热流时4Heλ转变温度Tλ=2·176 8K,饱和蒸汽压Pλ=5 041·8 Pa[1]。4Heλ转变有几个特点:第一,HeⅠ/HEⅡ是二级相变,没有相变潜热;第二,Tλ附近液氦比热呈现一个非常尖锐的峰;第三,HeⅡ热导率比HeⅠ高几个数量级。与三相点不同的是,4Heλ转变不易受到杂质和同位素含量的影响。包括氢在内的其它气体,在2·2K时已经固化,蒸汽压极低,杂质气体不再起分压影响,4He唯一的同位素是3He,3He对4He的自然相对丰度为0·5~2×10-6,对Tλ的影响在μK量级。

    由于HeⅠ/HeⅡ相变无相变潜热,不能用经典的静态绝热法获得HeⅠ/HeⅡ共存的转变温坪。利用λ转变时液氦比热处于尖峰的特性,若液氦以十分缓慢的变温速度经过Tλ时,可能观测到短暂的λ转变温坪。1976年至1992年间,有4篇文章[2~5]报道采用这种缓慢变温法,观测λ转变温度。

    1990年我们采用带毛细管结构的小型密封瓶,利用HeⅠ/HeⅡ热导率的极大差别,让一小热流通过毛细管,首次实现了毛细管中HeⅠ液柱高度的自调节作用,使HeⅠ/HeⅡ界面停留在毛细管中,获得了稳定性特别好的温坪[6]。这种复现方法与密封瓶复现三相点有相同的优点,易于获得相平衡态,自稳定性好,便于复现。

    在1990年工作的基础上,近几年我们重新制作了几个小型密封瓶,研究λ点转变温度的复现性,发展一种实用密封瓶器件及相应的复现方法。1997年和2000年发表了两篇文章介绍了初步研究结果[7,8],并介绍了通过毛细管的热流对λ转变温度复现值的影响,提出了做多个台阶温坪,用外推法求得零热流下真实的Tλ。本文将首先介绍我们使用的密封瓶设计和复现原理,然后介绍2000年3只密封瓶复现结果,最后讨论影响复现结果的因素。