В 1990-х годах в России широко внедрялись медицинские приборы на основе сверхпроводимости для высокоточного измерения флуктуаций магнитных и электрических полей в теле человека. Сверхпроводимость достигалась охлаждением электрических проводников до температуры жидкого гелия (–259 °C). Один из таких приборов – магнитометр – достался и нашей научно-исследовательской лаборатории. Мы исследовали его как прототип на предмет создания промышленного образца отечественного производства.
Магнитометр представляет собой термос размером с человека. Он многослойный – внутри прочнейшего корпуса есть вспененный слой теплозащиты, вакуумное пространство, зеркальные экраны для отражения ИК-излучений и сама колба с жидким гелием.
Жидкий гелий стоит дорого. Поэтому, перед тем как закачать его, термос в несколько итераций охлаждали жидким азотом (–196 °C). И все равно такого охлаждения было недостаточно: залитый в термос гелий сильно испарялся и бурлил еще сутки. За это время внутренняя колба термоса охлаждалась до температуры жидкого гелия, и затем наступала стадия спокойного испарения. И только тогда можно было начинать эксперименты по измерению магнитного поля.
Мы провели испытания, и в целом магнитометр нас устроил. Кроме одной «мелочи»: были претензии к уровнемеру – электрическому прибору, который измерял уровень жидкого гелия и работал благодаря принципу сверхпроводимости. Основной элемент уровнемера – сверхпроводник непосредственно в колбе с жидким гелием. Его общее сопротивление зависит от того, какая часть проводника погружена в жидкий гелий, а какая находится в газообразном гелии.
Уровнемер, как выяснилось, имел следующие недостатки.
• Точность измерения очень низка. Особенно когда гелия оставалось меньше 15 % – тогда прибору вообще нельзя верить, а именно в это время нам нужны самые точные показания.
• Уровнемер надо выключать, так как в активном режиме часть гелия испаряется – мы тратим часть дорогого гелия на то, чтобы измерить, сколько его осталось!
• Стоит уровнемер несколько тысяч долларов. Мы же хотим производить аналогичный прибор со значительно меньшей себестоимостью.
Можно ли измерить уровень жидкого гелия другим способом? Поразмышляем…
По сути, термос – черный ящик, куда нельзя заглянуть и вводить посторонние вещества и энергию. Может быть, термос можно взвешивать? Нет, затруднительно: вокруг термоса куча проводов, шлангов, трубочек – это всё чревато искажениями. Пока откладываем это решение и ищем другие.
В идеале гелий сам должен сообщать, сколько его осталось. Без посторонних устройств, без проводов и дополнительного испарения.