Силлабус-экспериментальные методы в ФНТ

Syllabus
Название и код дисциплины:
Экспериментальные методы в
физике низких температур
(БД КПВ 06 )
Дневная очная форма обучения.
Количество кредитов – 3 (часов обучения 30).
Сведения о преподавателе – Дробышев
Андрей Степанович, доктор физико-математических
наук,
профессор,
заведующий
лабораторией
криофизики
и
криотехнологий.
Выпускник
физического факультета КазНУ им. аль-Фараби.
Работает в КазНУ имени аль-Фараби с 1973 года.
Контактная информация – лаборатория
криофизики и криотехнологий, корпус №3 – телефон
67-49-69; учебная лаборатория криофизики и
криотехнологий, НИИЭТФ, лаб. № 101, телефон 9303-39, еmail: [email protected]
Цель курса – изучить современные методы низкотемпературных исследований,
рассмотреть физические основы получения и измерения криогенных температур,
термодинамические принципы построения криогенных систем, классические схемы
организации криогенных рефрижераторов и ожижителей и методы расчета их
характеристик, физические основы работы и техническое устройство газовых криогенных
машин и дроссельных микрокриогенных систем. Проанализировать тенденции и
перспективы развития этих отраслей техники. Рассмотреть принципиальные основы
конструирования криостатов и криогенной аппаратуры, а также особенности проведения
низкотемпературных физических экспериментов
Задача курса - дать студентам сведения о физических процессах, лежащих в основе
методов глубокого охлаждения и сжижения газов, а также о способах и технических
устройствах для их практической реализации. Показать термодинамические основы
построения циклов криогенных устройств. Рассмотреть физические принципы
воспроизведения абсолютной термодинамической шкалы температур в криогенной
области, а также основы стандартизации измерений низких температур. Познакомить с
наиболее распространенными вторичными приборами для измерения низких температур и
особенностями применения их в физическом эксперименте. Дать студентам сведения о
конкретных циклах современных криогенных рефрижераторов и ожижителей, газовых
криогенных машин, дроссельных и других автономных систем, их назначении, условиях
эксплуатации, характеристиках и техническом устройстве. Научить студентов
конструировать криостаты для низких и сверхнизких температур на примере конкретных
криогенных систем, предназначенных для проведения физических экспериментов.
В результате изучения курса «Современные методы в низкотемпературных
исследованиях» студент должен ЗНАТЬ:
 историю развития низкотемпературных исследований;
 основные методы измерения низких и сверхнизких температур;
 основные методы получения низких и сверхнизких температур;
 механические, теплофизические и электромагнитные свойства веществ при
низких и сверхнизких температурах;
 основные методы получения и измерения вакуума;
 физические основы современных криотехнологий.
В результате изучения курса «Современные методы в низкотемпературных
исследованиях» студент должен УМЕТЬ:
 конструировать и изготавливать основные узлы криогенно-вакуумных систем,
использовать жидкий азот для получения криогенного вакуума;
 изготавливать и осуществлять градуировку низкотемпературных датчиков;
 осуществлять низкотемпературные измерения в автоматическом режиме;
 использовать ИК-спектроскопические методы анализа веществ при низких
температурах;
 ставить и решать простейшие экспериментальные задачи физики низких
температур, грамотно обрабатывать, анализировать и оценивать полученные
результаты.
Пререквизиты:
Для успешного освоения раздела курса «Современные методы в
низкотемпературных исследованиях» студент должен знать молекулярную физику,
термодинамику и статистическую физику, квантовую физику, физику твердого тела.
Постреквизиты:
Изучение дисциплины может проводиться параллельно с изучением
теплофизических свойств веществ и материалов, экспериментальных методов в
теплофизике, математического моделирования.
Краткое содержание курса «Современные методы в низкотемпературных
исследованиях»
Лекций –15 часов; лабораторных занятий – 15 часов
Лекции – 15 часов
Модуль 1. Основы низкотемпературной термометрии
Лекция 1. Понятие температуры. Особенности измерений при низких
температурах Термодинамические принципы построения температурной шкалы.
Практические температурные шкалы. Национальные и международные температурные
шкалы. Единственность ПТШ. Абсолютная термодинамическая шкала температур.
Возможность ее воспроизведения. Первичные и вторичные термометры. Точность,
чувствительность, стабильность термометров.
Лекция 2. Международная практическая шкала температур. Принципы
построения. Единственность МПТШ-68 и отклонения от абсолютной термодинамической
шкалы при низких температурах. Предварительная температурная шкала ПТШ-76.
Реперные точки ПТШ-76. Основные реперные точки МПТШ-68 и методы их реализации.
Установление температурной шкалы в интервале между реперными точками.
Стандартизация измерений низких температур. Методы и приборы для измерения
температуры в интервале 13.81-273.16 К. Государственный первичный эталон в этом
диапазоне. Методы и приборы для измерения температуры в интервале 5.2-13.81К.
Государственный первичный эталон в этом интервале. Государственный специальный
эталон в диапазоне 1.5-4.2 К.
Лекция 3. Газовый термометр. Газовая термометрия с реальным газом.
Конструкции газовых термометров, их характеристики. Поправки на сорбцию, "вредный
объем", гидростатическое и термомолекулярное давление. Газовая термометрия на основе
температурной зависимости диэлектрической проницаемости и коэффициента
преломления. Экспериментальная реализация. Применение газового термометра в
криофизическом эксперименте.
Лекция 4. Вторичные термометры. Их назначение, требования, предъявляемые к
ним, их основные эксплуатационные характеристики. Особенности измерения
температуры быстропротекающих процессов. Термометры на основе зависимости
электросопротивления металлов от температуры Платиновый термометр сопротивления.
Интерполяционные формулы для платиновых термометров.. Критерии выбора материала
чувствительного элемента для термометров этого типа. Использование металлов с
магнитными примесями. Составные термометры.
Лекция 5. Термометры сопротивления на основе полупроводников. Германиевые
термометры сопротивления. Особенности конструкции и основные эксплуатационные
характеристики. Кремниевые термометры и термометры на основе арсенида галлия.
Угольные и стеклоуглеродные термометры сопротивления. Термисторы. Влияние
магнитного поля на термометры сопротивления. Единственное старение и тепловая
тренировка низкотемпературных термометров сопротивления. Диоды в качестве
низкотемпературных термометров.
Лекция 6. Термоэлектрические термометры для измерения низких температур.
Материалы для термоэлектродов. Требования стандартизации термоэлектрических
измерений. Основные источники погрешностей при измерении температуры термопарами.
"Тепловое заземление" термоэлектродов. Методы стабилизации температуры сплавов
сравнения термопар. Градуировка низкотемпературных электрических термометров.
Криостаты сравнения.
Модуль 2. Методы получения низких и сверхнизких температур.
Лекция 1. Физические основы охлаждения и получения низких температур
Термомеханические эффекты. Изоэнтропное расширение. Дросселирование сжатого газа.
Эффект Джоуля-Томпсона. Расширение из постоянного объема.
Лекция 2. Десорбционное охлаждение. Охлаждение с помощью откачки паров.
Лекция 3. Магнитное охлаждение. Механокалорический эффект. Свойства
парамагнитных солей.
Лекция 4. Адиабатное размагничивание. Ядерное размагничивание. Магнито- и
электрокалорические методы охлаждения. Намагничивание сверхпроводников.
Модуль 3. Основы вакуумной техники.
Лекция 1. История развития вакуумной техники Понятие вакуума. Области
применения вакуумной техники. Основные понятия вакуумной техники.. Единицы
измерения давления в вакуумной технике. Состав сухого атмосферного воздуха.
Скорость движения молекул газа. Число молекул газа, ударяющихся о единичную
поверхность стенки сосуда в единицу времени. Средняя длина пробега. Основные
характеристики вакуумных насосов.
Техника получения вакуума классическими
методами. Азотные ловушки. Механические насосы: поршневые, ротационные,
двухроторные. Газоперемещающие насосы. Молекулярные насосы. Преимущества и
недостатки. Основные характеристики. Принцип работы.
Лекция 2. Адсорбционные насосы. Принцип действия. Сорбент. Скорость
адсорбции и десорбции. Адсорбционная емкость. Полное число молекул. которые могут
быть поглощены поверхностью единичной площади. Изотерма сорбции. Определение
теплоты адсорбции. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Удельная поверхность. Емкость
монослоя. Традиционные адсорбенты. Активные угли. Цеолиты. Силикагели. Их
основные характеристики.
Конструктивное исполнение адсорбционных насосов.
Преимущества и недостатки.
Лекция 3. Распыляемые геттеры. Механизм откачки. Испарительные насосы.
Электродуговые геттерные насосы. Ионно-геттерные насосы.
Магнитные
электроразрядные насосы. Преимущества и недостатки. Основные характеристики.
Принцип работы. Нераспыляемые геттеры. Низкотемпературные геттеры. Температура
активации. Конструктивные исполнения. Преимущества и недостатки. Области
применения.
Лекция 4. Криовакуумная техника. Крионасос. Классификация крионасосов.
Принцип работы. Требования, предъявляемые к идеальному насосу. Коэффициенты
массообмена (коэффициент прилипания и конденсации). Средства измерения вакуума и
течеискания. Специфика измерения вакуума при низких температурах. Эффект Кнудсена.
Лабораторные занятия – 15 часов.
Лабораторная работа №1. Автоматизация низкотемпературного эксперимента.
Лабораторная работа №2. Принципы получения низких температур.
Термоэлектрическое охлаждение.
Лабораторная работа №3. Измерение температурной зависимости сопротивления
металлов и полупроводников в области низких температур.
Лабораторная работа №4. Измерение термоЭДС полупроводников (азотные
температуры).
Лабораторная работа №5. Получение и измерение среднего вакуума с помощью
адсорбционного насоса.
Лабораторная работа №6. Получение и измерение высокого вакуума с помощью
магнито-разрядного насоса.
Лабораторная работа №7. Получение низких температур методом откачки паров
жидкого азота
Лабораторная работа № 8. Получение и изучение свойств жидкого кислорода.
Лабораторные занятия проходят в учебной лаборатории криофизики
криотехнологий и в научно-исследовательской лаборатории криофизики
криотехнологий НИИЭТФ.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. А.И.Шальников Физика низких температур. Москва, ИЛ, 1959.
2. Тилли Д.Р., Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. М.: Мир.1977.
3. Т.Куинн. Температура. М.: Мир.1985.
4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Сер.«Теоретическая физика». Том 6.
Глава XVI. М.: Наука, 1988.
5. Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Клименко А.В. Физические основы получения
криотемператур: Учебное пособие по курсу «Основы криофизики». М.: Моск.
энерг. ин-т. 1979.
Дополнительная
1. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: ВШ, 2000.
2. Баррон Р.Ф. Криогенные системы. Энергоатомиздат. 1989.
3. М.П.Малков. Справочник по физико-техническим основам криогеники. М.:
Энергия. 1973.
4. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967.
5. Халатников И.М.
Теория сверхтекучести. М.: Наука, 1971.
6. Аметистов Е.В., Григорьев В.А. Теплообмен с Не II. М.: Энергоатомиздат, 1986.
№
1
2
Задания и сроки для СРС
Вопросы и задания
Время
час
Особенности
международной
15
температурной шкалы в диапазоне
низких и сверхнизких температур
Механические
и
теплофизические
15
характеристики технических материалов
Срок
выдачи
1
неделя
Срок
сдачи
2
неделя
4-я
неделя
5-я
неделя
Литература
и
и
3
4
5
при низких температурах.
Криогенные жидкости - жидкий азот,
жидкий кислород, жидкие инертные
газы.
Свойства жидкого и твердого водорода.
Орто-парасостояния.
Свойства жидкого и твердого гелия.
Сверхтекучесть.
15
7-я
неделя
8-я
неделя
15
10-я
неделя
13-я
неделя
11-я
неделя
14-я
неделя
15
Формы текущего, рубежного контроля и экзамена.
Рубежный контроль – в виде коллоквиума;
Самостоятельная работа – реферат;
Экзамен в устной форме по всем разделам.
Политика выставления оценок:
Рубежный контроль I (включая текущий контроль) – 30%
7 неделя
Рубежный контроль II (включая текущий контроль) – 30%
15 неделя
Экзамен –
40%.
Итоги РК и текущего контроля проставляются в ведомости по накопительному
принципу и являются основанием допуска к экзамену. Если обучающийся набрал в
течение семестра по итогам РК и текущему контролю менее половины максимальной
оценки (60%) по дисциплине, то есть менее 30%, то он к экзамену не допускается.
Политика курса:
Необходимы:
а) Обязательное посещение аудиторных и практических ;
б) Активная работа во время практических занятий;
в) Своевременная подготовка к занятиям, выполнение заданий СРС и т.д.
Недопустимы:
а) Нарушение дисциплины во время проведения аудиторных занятий;
б) Обман и плагиат в любых видах;
в) Несвоевременная сдача заданий и пропуски текущих контролей.