Ожижитель Капицы: гелий охлаждается при расширении

Как это было

Чтобы исследовать вещество при температурах, близких к абсолютному нулю, физикам нужен был жидкий гелий. Получить его было трудно: газ требовалось сильно охладить, а затем довести до состояния, в котором он превращается в жидкость. Гелий уже умели ожижать до опытов Капицы, но оборудование оставалось сложным.

Капица работал над новым способом получения холода в Мондовской лаборатории Кембриджского университета. Вместо того чтобы полагаться только на последовательные ступени охлаждения, он использовал расширение гелия с совершением механической работы. Ключевым узлом стал поршневой детандер — устройство, в котором газ, расширяясь, двигает поршень и теряет внутреннюю энергию.

В апреле 1934 года установка дала жидкий гелий. В том же году Капица приехал в СССР и уже не смог вернуться к работе в Кембридже. Для продолжения исследований в Москве был создан Институт физических проблем; позднее в него перевезли часть оборудования кембриджской лаборатории.

Как это работало

Детандер можно представить как цилиндр с поршнем. Сжатый газ поступает в рабочее пространство, расширяется и толкает поршень. На эту работу расходуется энергия самого газа, поэтому его температура понижается. В установке Капицы поршневой механизм работал при очень низкой температуре; для него применили газовую смазку.

Охлаждение при расширении входило в общий цикл подготовки и ожижения гелия. Полученную жидкость можно было использовать для опытов с веществами при температурах в несколько градусов выше абсолютного нуля. Устройство было частью лабораторной криогенной техники, а не бытовым холодильником.

Что было дальше

Метод Капицы расширил возможности экспериментальной физики низких температур. В Москве он продолжил работы с криогенными установками и занялся другим направлением — получением жидкого воздуха при помощи турбодетандера.

Опыты с жидким гелием позднее привели его к исследованию сверхтекучести. Разработка 1934 года связана с российским учёным, но место её создания — Великобритания; это отдельная часть истории от его последующей работы в СССР.