牛津大学克拉伦登实验室的氦液化车间

弗雷德里克·林德曼，托马斯·基利

编者按

在20世纪30年代早期，液氦对于研究很低温度下物质性质的物理学家来说是十分珍贵的。在本文中，牛津大学的物理学家弗雷德里克·林德曼及其同事宣布研发出了一种能生产大量液氦的新方法。他们采用突然改变液态氢压力的方式来冷却氦，可以用这种较便宜的装置连续地得到大量的液氦。他们的实验室持续生产了1.5个小时的液氦。正是这一方法及接下来的一些发展使苏联物理学家彼得·卡皮查得以在1938年发现液氦中的超流性现象。ft　　英文

多年以来，液氦的主要性质就已为科学界的人士所熟知。所以人们把氦液化的唯一目的，是想用它来冷却其他物质以便研究它们在绝对零度附近的性质。长期以来人们就知道，固体的热容量在低温时会变得非常小。因此，蒸发20毫克液氦吸收的潜热足以使60克铜的温度从减压液态氢沸腾的温度降低到液氦沸点的温度。ft　　英文

为了研究低温下物质的性质，很容易设计一个实验装置把物质冷却到与其周围的液氦或固氦温度相同的温度，并以最小的损失使物质保持在这个温度。不过，我们更喜欢对液氢需求相对较少的小型廉价装置，而不是一个能大量生产液氦的工厂，因为选择小型设备可以降低经常运转或复制它的成本。无论如何，由于财力所限，即便是还有其他令人满意的方式可供选择，也只能选择这种装置。ft　　英文

安装在牛津大学的设备是由柏林的西蒙教授和布雷斯劳的门德尔松博士研制的。要研究的物质被装在由两个可承受150个大气压的同心圆桶围绕的空间中。在两个圆桶之间的空间注入压强约为100个大气压的氦。圆桶之间的环状区域被一金属板分隔成上下两部分，上部分形成了一个小的金属容器，并通过一根螺线型的细铜管与纯氢的供应源相连，氦在下半部分被压缩。整个装置用一根德银管保持在一个更大的金属容器的中心，该容器中充有低压的氢气或氦气，可用汞蒸汽泵抽成真空。最外面的容器与输送氢和氦的铜螺线管一起浸没在一个含有液态氢的杜瓦瓶内。ft　　英文

当温度达到平衡时，压强为2或3个大气压的氢被注入到上部的容器中。氢气通过铜螺线管时由于所受压力过大而被液化，随后流入到在双壁氦圆桶上的金属容器中。这时打开连接汞蒸汽泵的阀门，金属容器内就会产生高真空，从而除了所需的连接管以外，氦容器与在它上面的液氢罐都与外界热绝缘。ft　　英文

如果通过减压使内层容器中的氢达到沸点以进一步冷却压缩状态下的氦，就可以提高液氦的产量。现在允许氦气膨胀，约一半的氦会被液化，放有实验物质的中间区域也会被冷却到与周围氦一样的温度。如果在液体上方抽真空，也就是让液体在减压的情况下沸腾，我们就可以把温度降低到距绝对零度一两度的范围之内。ft　　英文

牛津大学的设备能使液氦持续运转约1.5小时。如果在1.5个小时之内实验还没有做完，我们可在几分钟之内就开始重复上述过程，这只需消耗一些很便宜的液氢而已。氦气膨胀进入一个橡皮袋，然后被压缩到钢瓶内，所以丢失的气体很少。我们可以通过一个大量程的压力计观察实验时的温度，这个压力计通过一根细管子连接到液化区内的含氦气小容器上。这个设备的造价约为30英镑。因为不需要快速压缩氦气，所以使用一台小型廉价的压缩机就够了。ft　　英文

所需的液氢是用柏林物理化学研究所设计的标准设备生产的，目前这个设备已经在牛津大学无故障地运转了好几年了。氢气中的杂质先经过一次预膨胀使之凝聚，然后通过氢的低速流动继续去除杂质。使用的是每小时能处理10立方米自由气体的压缩机，每升液氢需要消耗约1.4升液氮，这个车间每小时可生产约2.5升的液氢。液化器和压缩机的总造价约为350英镑。ft　　英文

液氢被储存在镀银的派热克斯玻璃杜瓦瓶中并在实验室中耗尽掉。由于派热克斯玻璃杜瓦瓶与卡皮查教授研制的较复杂的双容器杜瓦具有相同的功效，所以我们一直在使用这些杜瓦瓶。ft　　英文

如果低温工作扩展了，需要在低温下同时进行多项实验，恐怕就要考虑采用连续的林德液化过程了。考虑到气体很昂贵，以及必须仔细地回收气体，使用这一方法还有相当大的不便，所以目前还不太值得考虑。如果必须改为使用这种系统的话，仅从实现液化而言，柏林型装置当然是没有任何困难的，毫无疑问，它将被证明与氢液化器一样好用而高效，而且很多的实验室已在使用它。ft　　英文

最后，我要对门德尔松博士表示感谢，他慷慨地从布雷斯劳带来液化器并把自己所有的知识和经验毫无保留地贡献给这个系自由处理。否则，我们几乎不可能在设备到达牛津大学的一周之内，没有遇到任何麻烦就顺利地制备出液氦来。ft　　英文

（沈乃澂　翻译；陶宏杰　审稿）