Так же, как и высокая, низкая температура имеет общее и местное действия. Но большее значение в судебно-медицинской практике имеет общее действие - переохлаждение . Человек без одежды комфортно себя чувствует при температуре воздуха +25°С, но при падении температуры даже на 10°С начинается расстройство здоровья , что иногда приводит даже к смерти . Адаптационные возможности организма велики, но до определенных пределов. Начинающееся переохлаждение характеризуется рядом симптомов (дрожь, «гусиная кожа», общая слабость, апатия и др.). Эта клиническая картина впервые описана личным врачом Наполеона академиком Ларреем при отступлении французской армии из России зимой 1812 г. Часть этих симптомов предназначена, чтобы легче перенести неблагоприятные условия. Например, расслабление и сокращение мускулатуры при дрожании утраивает тепло. Этому способствует и годами вырабатываемая у северных народов внутренняя защита к холоду - ускорение обмена веществ и выработка тепла.
В этих условиях содержание клеток будет скорее остекловываться, чем замораживаться, и ожидается, что микробные клетки выживут при дальнейшем охлаждении. Это подчеркивает ценность выживания для бортовых бактерий, инициирующих зародышеобразование, и дает простое объяснение высоким уровням жизнеспособных бактерий с ледяной деятельностью, которые можно выделить из снега и града. Вероятность внутриклеточного замораживания среди микробных клеток без активности ледяного зарождения в облачных капельках также ограничивает способность таких клеток рассеиваться по всему миру.
Пагубное воздействие на организм, помимо низкой температуры окружающей среды, оказывает комплекс факторов. Из внешних - это повышенная влажность, ветер, нерациональная одежды, пониженная упитанность ; из внутренних - ослаблен ный болезнью или ранением организм, детский или старческий возраст, алкогольное опьянение . Вопреки распространенному мнению алкоголь способствует понижению температуры тела, так как, расширяя кровеносные сосуды, увеличивает более чем на 20% теплоотдачу. По сравнению с выработкой тепла он понижает чувствительность к низкой температуре, вызывая чувство страха, безразличие, апатию, сонливость. Поэтому смерть может наступить при различной температуре, в том числе и плюсовой. Более того, треть всех погибших от переохлаждения находилась при температуре воздуха от 0 до +5°С. Этим объясняется то, что в северных регионах, в Сибири и на Дальнем Востоке этот вид смерти незначительно превышает статистические показатели Северного Кавказа.
Было несколько сообщений о том, что микроорганизмы, выделенные из полярных сред, содержат внутриклеточные белки антифриза. Утверждалось, что функция этих соединений заключается в защите клетки от летального повреждения при охлаждении путем предотвращения внутриклеточного замораживания. Кроме того, вне лаборатории внутриклеточная замерзание редка, обычно требующая скорости охлаждения быстрее, чем типичная для окружающей среды, и почти всегда летальна. Наши данные показывают, что при естественных скоростях охлаждения и при наличии внеклеточного льда свободные живые микробные клетки будут остекловываться, а внутриклеточное образование льда не является обычным явлением.
Снижение компенсаторных возможностей организма приводит к снижению температуры тела до + 27...+ 30°С, падают все жизненные функции организма, интенсивность обмена веществ, наступает угнетение ЦНС, кислородное , истощение организма и смерть при температуре тела +25°С и ниже.
Общее охлаждение - состояние организма, возникшее в результате воздействия холода и снижения температуры тела до 34° и ниже.
Это ставит эволюционный вопрос о том, почему такие клетки должны иметь антифриз. Одна спекулятивная возможность заключается в том, что их антифризная активность может иметь важное значение для снижения шансов потенциально фатального зарождения льда во время потепления из остеклованного состояния. Также возможно, что эти белки имеют другие физиологические функции, и их антифризная активность просто случайна.
Последствия для многоклеточных организмов
Таким образом, интересный вопрос заключается в том, можно ли найти белки с побочной антифризной активностью в клетках, где никогда не встречаются отрицательные температуры. Мы продемонстрировали остекловывание в ряде свободноживущих одноклеточных организмов. Эти клетки все оставались осмотически реагирующими при отрицательных температурах, и все они подвергались стеклянному переходу; кроме того, все исследования клеточных линий жизнеспособны после восстановления после использования протокола витрификации, используемого в этом исследовании.
Легкая (адинамическая) степень охлаждения характеризуется понижением температуры тела до 32-30°, с сохраненным или затуманенным сознанием, бледностью или цианотичностью кожных покровов, брадикардией до 60 уд/мин. Больные жалуются на слабость, головокружение, головную боль, говорят тихо и медленно.
При охлаждении средней тяжести (снижение температуры до 29°) отмечается угнетение сознания; если пострадавший отвечает на вопросы, то с большим трудом, лицо маскообразное, взгляд тусклый, брадикардия, АД снижено.
Нет никаких доказательств того, что микробные и многоклеточные организмы существенно различаются по их внутриклеточному составу, и поэтому мы можем предположить, что фундаментальное тепловое поведение клеток из многоклеточных организмов будет аналогично фундаментальному для свободноживущих микробов.
Однако ключевое различие для многоклеточных организмов заключается в том, что среда, непосредственно внешняя по отношению к клеткам, представляет собой жидкость, состав которой контролируется организмом. Важным фактором, определяющим, является ли клетка в многоклеточном организме, является наличие или отсутствие льда во внеклеточной жидкости. Для многоклеточного организма присутствие льда во внешней среде имеет значение только в том смысле, что оно имеет возможность инокулировать замерзание в организме.
При тяжелой степени общего охлаждения (снижение температуры тела до 26°) пострадавший находится без сознания, дыхание у него поверхностное и нерегулярное, кожа бледная и холодная (на открытых частях тела - синюшная), мышцы напряжены, челюсти сжаты, зрачки сужены и не реагируют на свет; пульс слабого наполнения, редкий и неритмичный, АД снижено. При снижении температуры тела ниже 26° может наступить смерть из-за фибрилляции желудочков.
Внутриклеточное остекловывание уже давно признано механизмом выживания для устойчивых к высушиванию организмов, семенами растений и стадиями покоя других организмов. Наши результаты показывают, что остекловывание также будет происходить в клетках тех холодно-выносливых растений и животных, где внеклеточные жидкости замерзают при высокой температуре ниже нуля. Если это произойдет, это приведет к концентрации замораживания незамерзающей внеклеточной жидкости, обезвоживанию внутренней части клетки и переходу коллоидного стекла способом, аналогичным тому, что продемонстрировано здесь для свободноживущих микробных организмов.
На месте обнаружения трупа обращают внимание на характерную позу зябнущего человека с приведенной к туловищу головой и согнутыми в суставах конечностями. Однако она отсутствует у людей в алкогольном опьянении и при усилении мышечной нагрузки незадолго до наступления смерти. Наблюдается «гусиная кожа . Трупные пятна приобретают розовый цвет от перенасыщения крови кислородом, проникающим через разрыхленную кожу. Важным, но редким признаком являются отмо рожения . О прижизненном действии низкой температуры свидетельствуют также иней на ресницах; льдинки в отверстиях рта и носа, углах глаз; одежда, примерзшая к ложу, покрытому коркой льда. Отсутствие этих признаков может указывать на то, что труп сюда перенесен.
Четкая демонстрация экологической важности остекловывания в многоклеточных организмах происходит из исследований полярных нематод. Нематоды в целом очень толерантны к обезвоживанию, и их внутреннее содержание воды может быстро изменяться в ответ на внешние условия. У семи видов нематод, выделенных из морской Антарктики, выживаемость была равна нулю, когда черви суспендировали в масле и охлаждали при 1 К мин -1.
Однако лабораторные исследования показали, что выживание от замораживания чрезвычайно чувствительно к скорости охлаждения. Наши результаты для свободноживущих микробов свидетельствуют о том, что замораживание внеклеточной жидкости обезвоживает клетки и способствует переходу коллоидного стекла, и возможно, что пороговая скорость охлаждения для выживания определяется динамикой осмотической корректировки клетками. Когда охлаждение достаточно медленно, чтобы обеспечить осмотическое регулирование, клетки обезвоживают и остекловывают; при слишком быстром охлаждении клетки не могут регулироваться, а результат - смертоносное внутриклеточное замораживание.
Смерть от переохлаждения, как правило, является следствием несчастного случая, более половины из погибших перед смертью находились в алкогольном опьянении. Однако описаны случаи убийства, особенно новорожденных детей, оставленных без одежды или брошенных в холодную воду. В виде исключения встречаются самоубийства. Один из них исследован судмедэкспертом под Ростовом, когда был обнаружен в лесополосе труп человека в одних трусах, лежащий на снегу. Рядом с ним была аккуратно сложенная одежда, пустая бутылка из-под водки, а в кармане пиджака письмо с объяснением причин самоубийства.
Поскольку способность к осмотической регулировке зависит от таких факторов, как состав мембраны и плотность аквапоринов, мы ожидаем, что пороговая скорость охлаждения для выживаемости будет варьироваться между видами. Многие организмы, живущие в сезонно-холодной среде, избегают сублимированного высушивания и остекловывания тканей путем переохлаждения внеклеточных жидкостей. Насекомые, которые перемещаются в субминионные места обитания, могут даже воспроизводиться зимой, хотя это происходит только при относительно высоких температурах, отличных от нуля, и значительно выше температуры остеклования, описанной здесь для свободноживущих микробных клеток.
Длительное нахождение трупа в условиях низкой температуры приводит к его замерзанию или оледенению . Такие труды технически вскрыть невозможно без предварительного медленного оттаивания. Замерзание приводит к различным по вреждениям, которые следует выделять от прижизненных. Сюда можно отнести отделение эпидермиса, разрывы внутренних органов от льдинок, содержащих жидкость. Но особенно важно посмертное растрескивание или расхождение по швам костей черепа вследствие расширения жидкостей в полости череда. При оттаивании мягкие ткани пропитываются кровью, и все это создает картину черепно-мозговой травмы . В отличие от прижизненных такие переломы всегда безоскольчатые, плоскость перелома отвесная, нет повреждений компактного слоя кости.
У многих беспозвоночных, которые избегают замораживания внеклеточных жидкостей, наличие высоких концентраций низкомолекулярных криопротекторных соединений означает, что клетки могут продолжать метаболизировать до очень низких температур. Заманчиво предположить, что это может представлять собой остекловывание внеклеточных жидкостей и внутриклеточной матрицы как отдельных событий. Эти личинки насекомых выживают в результате остекловывания, даже когда они перезимовываются в прямом контакте со льдом.
Фундаментальная биофизика концентрации замораживания и последующего перехода коллоидного стекла должна также применяться к растительным клеткам, хотя их различный ионный состав вместе с присутствием хлоропластов, вакуолей и крахмальных гранул означает, что термические пороги могут отличаться от животных и бактериальных клеток. Наши результаты для свободноживущих микробов свидетельствуют о том, что остекловывание также произойдет в клетках холодно-выносливых растений, где замораживаются внеклеточные жидкости.
Местное действие низкой температуры (отморожения) наблюдается в местах с резкой разницей в температуре по сравнению с организмом в целом. При этом также важным является не только снижение температуры, но целый комплекс факторов. Отморожению подвергается чаще всего выступающие и периферические части тела (нос, уши, пальцы рук, стопа), особенно при нарушении кровообращения в этих местах, например, от тесной обуви.
Там, где эти флюиды понижены, температура остекловывания будет снижена, но, как наблюдалось у насекомых, переход стекла в конечном итоге будет иметь место, так как охлаждение продолжается. Интересно, что растения также демонстрируют многочисленные события остекловывания, предполагая, что различные отсеки жидкости подвергаются стеклянному переходу при разных температурах в зависимости от их содержания воды. Результирующая низкая активность воды внутриклеточной среды означает, что эти клетки будут остекловываться, по существу, таким же образом, как и высушивание с замораживанием.
Отморожение и уточнение его глубины, то есть степени, различают после отогревания тела. Выделяют четыре степени отморожения, характеристика которых напоминает определение степени термических ожогов .
Первая степень приводит к отеку и багровой окраске кожи, которые исчезают в течение недели у живого человека, полностью заживая в среднем через неделю.
В обоих случаях остекловывание обусловлено обезвоживанием внутренней части ячейки. Сообщается о витрификации с высушенных стадий многоклеточных организмов, таких как коловратки, торги и ракообразные Артемия. Здесь остекловывание снова приводит к удалению воды и последующему переходу коллоидного стекла.
Таким образом, Витрификация обеспечивает механистическое объяснение сходства физиологических эффектов двух факторов окружающей среды, которые уже давно признаны взаимосвязанными, а именно высушивание и замораживание внеклеточной среды. Растения, подверженные дегидратационному водному стрессу, синтезируют ряд белков, которые, по-видимому, имеют решающее значение для поддержания клеточной структуры в дегидратированном состоянии. Эти белки теперь зарегистрированы из ряда животных фила, предполагая, что вместе с небольшими молекулярно-массовыми криопротекторными веществами они могут играть важную общую роль в поддержании клеточной структуры во время остекловывания, так что метаболизм может возобновляться контролируемым образом после того, как клеточная регидратация.
Вторая степень характеризуется кровянистыми пузырями с отеками, наполненными желтоватой жидкостью, синюшной окраски. Заживление достигается через 2-3 недели и чрезвычайно болезненно. Обе степени после полного заживления следов не оставляют.
Третья степень определяется по некрозу (омертвению) мягких тканей. Поверхность кожи темно-синюшная, иногда с пузырями, резким отеком кожи. Омертвевшие ткани нагнаиваются, постепенно отторгаются и в течение 1-2 месяцев излечиваются с образованием рубца.
Мы пришли к выводу, что внутриклеточное остекловывание является процессом универсального экологического значения для свободноживущих микробных организмов, живущих в условиях однородной или сезонной погоды. Напротив, внутриклеточного образования льда нет. Некоторые многоклеточные организмы могут побуждать свои внеклеточные жидкости замораживаться при относительно высоких температурах минус-нуль, и мы предлагаем, чтобы это привело к аналогичному остекловыванию их клеток. Другие могут способствовать переохлаждению их внеклеточных жидкостей.
Четвертая степень характеризуется некрозом всей толщи тканей, вплоть до костей. Отторжение омертвевших тканей проходит месяцами и очень болезненно, иногда с отпадением части тканей.
Отморожения редко являются объектом судебно-медицинской экспертизы, ибо обычно это результат несчастного случая. Поводом для экспертизы является установление процента стойкой утраты трудоспособности и в очень редких случаях в связи с подозрением получения отморожения с целью членовредительства.
В этих случаях клетки могут продолжать метаболизировать до более низких температур, но данные как растений, так и насекомых указывают на то, что в конечном итоге происходит остекловывание. Так как организмы должны вернуться в жидкое состояние, чтобы возобновить обмен веществ и завершить их жизненный цикл, то стеклоочищение, таким образом, представляет собой более низкий температурный порог для жизни на Земле.
Наши данные указывают на интересную асимметрию в условиях высоких и низких температур жизни на Земле. Эукариоты способны расти при температурах до ~ 60 ° С, тогда как верхние тепловые пределы для деления клеток в бактериях и археях значительно выше этого. Однако способность многоклеточных организмов регулировать свои внутренние биологические жидкости означает, что некоторые виды наземных видов, живущие в условиях постоянной или сезонной погоды, могут позволить этим жидкостям переохладиться и, следовательно, их клетки метаболизироваться, вплоть до температур, значительно ниже нижнего температурного предела для роста в свободно живущих микробов.
К другим видам физического воздействия , помимо редко встречающихся изменений барометрического давления и лучис той энергии , относится действие электрического тока .
РЕФЕРАТ
"Низкие температуры"
А) Температуры между нулем и нормальной точкой кипения жидкого воздуха
Поэтому мы предлагаем, чтобы любое предложение о метаболизме клеток в этих условиях должно соответствовать минимальному набору критериев, чтобы отличить истинный метаболизм от геохимических процессов, которые имитируют обмен веществ. Возможный набор критериев может включать некоторые или все. Использование донора электронов.
Уменьшение акцептора электронов. Поддержание мембранного потенциала и протонной силы. Транспортировка метаболитов через клеточную мембрану. Если эти критерии не могут быть выполнены, мы должны предположить, что измеряется химия концентрированного раствора, а не интегрированный метаболизм. Наши результаты также подразумевают, что для любых клеток с внутриклеточной средой, аналогичных клеткам на Земле, окно возможностей для метаболизма в современном климате на Марсе очень ограничено. Было бы, однако, вполне возможно, учитывая достаточную свободную энергию, чтобы клетки существовали и метаболизировались в воде, предположительно существовавшей под слоем поверхностного льда на Европе.
Новый способ получения низких температур предложил Р. Хильш. В прямую цилиндрическую трубку R из форсунки D вдувается воздух по касательной к стенке трубы. Вследствие того, что справа, вплотную к форсунке, вставлена диафрагма В, струя воздуха при открытой с двух сторон трубке движется только налево, описывая винтовую спираль. Эту диафрагму следует отрегулировать таким образом, чтобы некоторая часть воздуха выходила через нее направо. Этот воздух отдает большую часть своей кинетической энергии в виде тепла воздуху, движущемуся налево вдоль стенки трубки; кроме того, правая часть воздуха разрежается. В.результате этого она оказывается значительно более холодной, чем часть, текущая налево. Таким способом при начальном давлении в 10 атм можно получить температуру до – 40° С. Конечно, коэффициент полезного действия такой установки очень мал.
Б) Температура ниже нормальной точки кипения жидкого воздуха
В качестве охлаждающей среды в этой температурной области служат кипящие при атмосферном или более низких давлениях сжиженные газы: воздух, неон, водород, гелий. Промежуточные температуры между отдельными областями можно получать, используя адсорбционные криостаты. Однако возможность их применения очень ограничена, так как их мощность очень мала. Температурный интервал между жидким водородом и жидким гелием может быть заполнен, кроме того, с помощью гелиевого ожижителя Симона. Однако мощность этого аппарата невелика.
Термостаты для сжиженных газов в этих температурных областях необходимо прочно закрывать, так как в противном случае при понижении давления эти газы обычно начинают кипеть; кроме того, при очень низких температурах на кипящих газах будет конденсироваться воздух. В то время, когда не ведется откачка. Конечно, необходимо выпускать газ, образующийся в процессе испарения. Вентилем, открывающимся только под давлением изнутри, может служить резиновая трубка, прорезанная в продольном направлении.
Схема охлаждения по Хильшу
При конструировании криостатов следует иметь в виду, что Теплота испарения 1 л жидкости составляет при нормальных точках кипения для
Отсюда видно, что при работе с жидким водородом и тем более с жидким гелием приток тепла извне должен быть уменьшен как можно сильнее.
Ниже речь будет идти главным образом о криостатах для жидкого гелия. Для жидкого водорода применимы те же принципы, в то время как для жидкого воздуха многое можно упростить.
Всегда применяют два сосуда Дьюара: внутренний, для. жидкого гелия, и внешний, заполненный жидким азотом. Так как через иенское или пирексовое стекло гелий диффундирует, то внутренний сосуд должен быть изготовлен из других сортов стекла. Теперь все больше переходят к цельнометаллическим конструкциям. При их правильном изготовлении расход гелия оказывается примерно «таким же, как в стеклянных сосудах. На рис. показан такой сосуд Дьюара, который легко самостоятельно изготовить в лабораторной мастерской. Внешняя оболочка состоит из латунной трубы без швов диаметром 9,5 см, с толщиной стенок 1,5 мм, внутренняя оболочка – из аналогичной трубы диаметром 8 см. Для уменьшения теплопроводности от теплого конца верхняя часть внутренней трубы изготовляется из листового нейзильбера толщиной 0,3 мм. Для соединения этой трубы с латунной их сначала приваривают в отдельных точках, а затем прочно пропаивают. Фальцованные швы значительно труднее сделать вакуумно-плотными. Стороны трубок, обращенные к вакууму, облицовываются алюминиевой фольгой. В качестве клея применяется бесцветный лак, например глипталь. В нижней части внутреннего сосуда помещена небольшая коробка для абсорбции газа, заполненная углем из кокосовых орехов. Все соединения, за исключением дна, пропаяны твердым припоем, пластинка дна – мягким. Сосуд откачивается при комнатной температуре до давления Ю -3 мм рт. ст. через вентиль без сальника. Для контроля давления служит маленький термоэлектрический вакуумметр. Тем же приемом, конечно, можно без особого труда сделать внешний сосуд для жидкого азота. После тщательного охлаждения внутреннего сосуда до температуры жидкого азота требуется еще около 1,5 л жидкого гелия для охлаждения до 4° К и 2,25 л для заполнения криостата. Если нет дополнительного притока тепла через измерительные приборы, а крышка омывается жидким азотом, то из криостата за час испаряется около 0,3 л жидкого гелия.
Для определения уровня жидкости внутри сосуда с большим успехом применяют американские угольные радиотехнические сопротивления. Бакелитовую оболочку этих сопротивлений удаляют или шлифовкой на станке, или вручную, медленно вращая сопротивление. Одноваттное сопротивление, имеющее при комнатной температуре величину 180 ом, при 4° К в парах гелия возрастает до 3600 ом, а в жидком гелии – до 4600 ом. При более низких температурах сопротивление еще больше. Не надо стремиться уменьшить выделяющееся при измерении джоулево тепло, так как изменение сопротивления вызывается изменением внешней теплопроводности. Три таких сопротивления укрепляют в сосуде на разной высоте: одно – на самом низком уровне, при котором еще можно работать, второе – па половинной высоте и третье –· в месте соединения внутренней трубы с ее тонкой частью.
Подводящие провода вводятся во внутреннюю часть через фланец между двумя резиновыми кольцами. Применяют эмалироианный провод и небольшое количество вакуумной смазки.
Весь сосуд Дьюара закрывается металлической крышкой. Лучше всего применять кольцеобразный спай по бортику, охватывающему трубку. Бортик легко запаивается и так же легко снова распаивается, если его окружить изолированной проволокой, которая нагревается током от понижающего трансформатора. Про-текапие припоя не может иметь места. Если крышка остается всегда теплой, то для пайки применяют сплав Вуда; если же крышка охлаждается, то лучше применять индиевооловянный припой.
Необходимо, конечно, следить за тем, чтобы все другие детали, которые ведут к измерительной аппаратуре, не проводили слишком много тепла. Трубки применяют тонкостенные и без швов, из плохо проводящих тепло материалов – нейзильбера или нержавеющей стали. Особенно хороши трубки из хромала, который, однако, как и нержавеющая сталь, поддается только твердой пайке. Можно применять также стеклянные трубки, спаянные с металлическими.
Влияние теплопроводности подводящих проводов можно значительно уменьшить. Для подачи напряжения и проводов, в которых идет ток силой до 10 ма, следует применять манганиновую проволоку толщиной от 0,15 до 0,25 мм. При более сильных токах цримевяют толстую проволоку для соединений, ведущих от деталей, находящихся при комнатной температуре, к медной шайбе, находящейся при температуре жидкого воздуха; такие же проволоки идут от измерительной аппаратуры, находящейся в жидком водороде или жидком гелии, почти до медной шайбы. Только на небольшом расстоянии от нее переходят к тонкой проволоке из возможно более чистой меди длиной от 5 до 10 см. Для ее расчета можно пользоваться следующей формулой
где Vi – V 0 – разность потенциалов на проволоке, Ti – верхняя, a T u – нижняя температура и л/к – отношение коэффициентов теплопроводности и электропроводности.
Токи силой до 200 б подводятся к измерительным приборам, установленным в жидком водороде, а в Институте низких температур Херршингера ток до 50 а подводится к измерительным приборам, установленным в жидком гелии!
Остаточное сопротивление медного провода, обычно имеющегося в продаже, составляет примерно 2% от сопротивления при комнатной температуре; на рис показан ход кривых л, к и л/к. Если черев провод должен протекать ток /, то сопротив-" ление этого провода должно быть равным
Теплопроводность различных сплавов при низких температурах
На рис. показан специальный сосуд Дьюара, предназначенный для оптических измерений в магнитном поле. Для того чтобы охладить его от комнатной температуры и ввести в него 2,5 л гелия, требуется около 5 л жидкого гелия. В темноте гелий сохраняется в криостате в течение 50 часов. При освещении изучаемого образца сильной вольфрамовой лампой это время может уменьшиться до восьми часов. Вакуум поддерживается маленьким масляным диффузионным насосом со скоростью откачки 100 л/сек. Сосуд с гелием был настолько хорошо изолирован, что насос можно было выключать более чем на 1 час. При этом вентиль между гелиевым сосудом и насосом закрывался. Это позволяет наполнять сосуд непосредственно у ожижителя и переносить его для исследований к магниту. Новые пенопластические материалы обеспечивают превосходную изоляцию тел неправильной формы. Пенообразная масса легко обрабатывается ножом, пилой или пробочным сверлом. Если воспрепятствовать возникновению конвекционных токов, то эта изоляция достаточна даже для жидкого гелия. Плотность пеноматериалов настолько мала, что они плавают в жидком гелии.
Здесь не представляется возможным описать устройство всего оборудования, необходимого для ожижения водорода и гелия. Но некоторые отдельные моменты необходимо отметить.
Специальный сосуд Дьюара для измерений в магнитном поле
В зависимости от упругости паров масла, применяющегося в компрессоре, даже при очень хорошей ловушке для масла некоторое количество масляных паров может проникать во встречные потоки и вымораживаться. Это приводит к двум неприятным последствиям: во-первых, к уменьшению коэффициента теплопередачи, а следовательно, и к. п. д. противотока и, во-вторых, к возможности засорения трубопроводов. Этот недостаток устраняют, прежде всего применяя масла. с низкой упругостью паров. Поэтому во всей установке необходимо применять масло^ обладающее большой вязкостью и низкой упругостью паров; такому требованию удовлетворяют только специальные сорта масел. Далее, первый трубопровод целесообразно сконструировать так, чтобы масло, осаждающееся в нем за время, в течение которого оно еще не успевает перейти в жидкость, собиралось в специальном «кармане», откуда его периодически можно было бы спускать. К. Клузиус предложил устанавливать перед ожижителем сосуд с адсорбирующим углем. Даже при невысокой температуре последний адсорбирует большую часть паров масла.
Водород, служащий для ожижения, должен быть очень чистым; в противном случае соединительные трубки и вентиль быстро будут засорены твердым воздухом. Так как большая часть жидкого водорода при атом процессе утрачивается, то необходимо периодически или приобретать новые порции очень чистого водорода, это, однако, затруднительно, или тщательно очищать обычный водород, имеющийся в продаже. К. Клузиус предложил следующее устройство, позволяющее применять обычный водород: к ожижителю параллельно стандартным трубкам высокого давления проводят систему трубок через такие же противоточники, охладители и т.п.; в эту систему в процессе циркуляции ожижаемого водорода дополнительно вводится из стальной бомбы некоторое количество водорода. В конечном счете эта часть проходит через конденсатор, который охлаждается водородом, поступающим из расширительного вентиля, соединяется с этим водородом и течет обратно в сторону низкого давления. В этом случае небольшое количество чистого водорода требуется только при пуске установки.
В Институте Херршингера спроектирована установка, которая позволяет увеличивать примерно на 30% производительность небольшого аппарата для ожижения воздуха: большая часть воздуха в аппарате не ожижается, а снова подводится противотоком к компрессору, так что последний при стационарной работе засасывает из атмосферы только ожижаемую долю воздуха. Компрессор может засасывать воздух не из атмосферы, а из резервуара, находящегося под давлением; если воспользоваться небольшим компрессором, то в этих 9,6% воздуха можно создать избыточное давление до 0,3 атм; в этом случае общая производительность компрессора, а следовательно, и ожижаемая часть увеличиваются в отношении 1:1,3.
В) Измерение низких температур
Для измерения температур до – 200° G пригоден пентановый термометр. Чтобы жидкость в его трубке не загустела, в исследуемую среду следует сначала погружать только шарик термометра, а затем уже и трубку. До температуры жидкого воздуха можно пользоваться термопарами. Вместо медно-константановой термопары лучше взять манганино-константановую, так как большая теплопроводность меди может привести к неточности измерений. Проволоку предварительно испытывают на однородность. Для этого берут кусок проволоки, протягивают его через жидкий воздух и с помощью гальванометра наблюдают появляющуюся на ее концах термоэлектродвижущую силу. Для интервалов температур между жидким воздухом и жидким водородом и между жидким водородом и жидким гелием применяется газовый термометр постоянного объема. Ha рис. показан схематически простой газовый термометр постоянного объема. Резервуар термометра T с помощью капилляра К соединяется с манометром М, имеющим шкалу давлений от 0 до 1 атм. Термометр наполняется при комнатной температуре водородом или гелием под давлением 1 атм и легко может быть проградуирован в -°К.
Американские угольные сопротивления, применяемые в качестве указателей уровня жидкости, могут прекрасно служить и в качестве термометров. В этом случае, однако, надо обращать внимание на то, чтобы количество джоулева тепла, выделяющееся в процессе измерения, было очень малым. Как было указано выше, удаляют бакелитовый изолирующий слой сопротивлении и их вклеивают при помощи лака в медную трубочку. Они не должны непосредственно соприкасаться с гелием, так как адсорбируют его и при этом меняется характеристика сопротивления.
Термометр градуируют путем сравнения с показаниями газовых термометров.
Очень точные измерения температур можно произвести с помощью термометра, в котором температура намеряется по давлению пара. Для большинства случаев вполне удовлетворительной оказывается простая конструкция, схематически изображенная на рис. Резервуар термометра T соединяется с одним коленом ртутного манометра Q, другое колено которого по желанию остается открытым или закрывается после того, как из него откачают воздух. Вследствие малого объема этого колена даже незначительное количество воздуха, проникающего в него или остающегося в нем после откачки, может привести к появлению больших ошибок в измерениях, поэтому здесь необходимо применять очень надежный кран с наклонно расположенными отверстиями и полой пробкой. Сосуд V необходим для того, чтобы при охлаждении имелся достаточный запас пара, так как в резервуаре термометра также происходит небольшая конденсация. Величину объема V подсчитывают в зависимости от газа в термометре и измеряемой температуры. Вследствие большого наружного объема показания термометра несколько вялы, так как в нем должны конденсироваться или испаряться большие количества пара. Если этот дефект желательно устранить, то для манометра и подводящей трубки можно применить капилляры, которые, однако, при низких температурах необходимо наполнять, а перед нагреванием вновь откачивать. Если хотят облегчить труд по наполнению отмеренным количеством пара, то последний необходимо впускать медленно. Термометр считается достаточно наполненным, если давление в нем сохраняется неизменным после двукратного дополнительного введения небольшого количества пара.
В случае применения закрытых криостатов для самых низких температур можно при медленной откачке определять температуру по упругости пара над жидкостью, так как задержка кипения едва ли здесь будет происходить. Вместе с тем, если теплый газ сжимается, то температура в нижней части сосуда Дьюара, несмотря на хорошее перемешивание, может оказаться на несколько градусов ниже, чем температура на поверхности; в связи с этим при необходимости повысить температуру лучше это делать с помощью маленькой нагревательной спирали, располагая ее в самой нижней части сосуда Дьюара. При работах с жидким воздухом необходимо помнить, что вследствие изменения его состава нет однозначной зависимости между давлением пара и температурой. По этой причине необходимо применять закрытые кислородные термометры.
Г) Сосуды Дьюара, сифоны и вентили с вакуумной рубашкой
Лучшими сосудами для жидкого воздуха могут служить термосы из закаленного стекла, имеющиеся в любом хозяйственном магазине. Большие сосуды для транспортировки жидких газов изготовляются из металла. По желанию их можно изнутри посеребрить, благодаря чему потери на испарение значительно уменьшаются.
Сосуды для транспортировки гелия изготовляются совершен но так же, как дьюаровские сосуды для магнитных исследований. Только тонкостенная трубка на верхнем конце делается существенно длиннее. Благодаря этому улетучивающийся гелий препятствует притоку тепла через стенки трубки. В сосуде емкостью 15 л за сутки испаряется около 0,25 л жидкого гелия!
Весьма желательно точно знать уровни жидкости до и после выливания части жидкого гелия. Этой цели служит тонкостенная трубка диаметром 1 мм из нейзильбера, имеющая раструб па конце, закрытый резиновой мембраной. Если трубка находится в газе, то очень легко возникают низкочастотные акустические колебания, наличие которых легко ощутить непосредственно пальцами. Если эту трубку медленно опускать вертикально, то колебания прекращаются в момент соприкосновения трубки с поверхностью жидкости. Этот способ позволяет легко определить уровень жидкости с точностью ±1 мм. Метод применим и к жидкому водороду, но неприменим к жидкому воздуху.
Небольшое давление, необходимое для переливания сифоном жидкого гелия, лучше всего получить легким нажатием рукой на небольшую грушу.
Д) Автоматическая регулировка температуры
Температура в криостатах поддерживается постоянной с помощью регулировки тока через сопротивление, находящееся на дне сосуда. В настоящее время регулирование тока почти во всех случаях осуществляется автоматически. Радиотехническое угольное сопротивление в жидком гелии включается в одно из плеч мостика Уитстона, питаемого переменным током. Выходное напряжение мостика усиливается, выпрямляется фазовым детектором и подводится к небольшому усилителю мощности, а от него – к нагревателю. Мостик регулируется так, что при достижении желаемой температуры на его выходе возникает маленький сигнал нужной фазы, вызывающий соответствующий ток в цепи нагрева. Вентиль, ведущий к насосу, устанавливается таким образом, что в нагревателе развивается необходимая мощность. При уменьшении температуры мощность нагревателя растет, при увеличении температуры мощность нагревателя падает. Если температура увеличивается настолько сильно, что сигнал на выходе моста имеет обратную фазу, то фазовый детектор препятствует прохождению этого сигнала к усилителю мощности. Обеспечение в течение часа постоянства температуры гелиевой ванны с точностью 0,001° К не вызывает трудностей. Вместо угольных сопротивлений можно применять также полупроводниковые. При более высоких температурах жидкого азота применяют термисторы.