Кипение азота на поверхности тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников при джоулевом разогреве тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

67 '' У У' 7 / ¿> ¿ 3 ~ о

Российская академия наук Уральское отделение Институт теплофизики

на правах рукописи

ИВАКИН Владимир Борисович

КИПЕНИЕ АЗОТА НА ПОВЕРХНОСТИ ТОНКИХ ПЛЕНОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ ПРИ

ДЖОУЛЕВОМ РАЗОГРЕВЕ

специальность 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

научный руководитель доктор физико-математических наук В.Н.Скоков

Екатеринбург, 1999 г.

Содержание

Введение ..;........

5

1 Кипение жидкости на поверхности нелинейного нагрева-

теля 13

1.1 Режимы кипения и зарождения паровых пузырей

на поверхности нагрева................ 13

1.2 Температурные осцилляции под растущими пузырями ............................ 17

1.3 Тепловое разрушение сверхпроводимости при джо-улевом саморазогреве сверхпроводников. Тепловая бистабильность сверхпроводников с током 20

1.4 Влияние смены режимов теплообмена в жидком охладителе на тепловую устойчивость сверхпроводников. Тепловая мультистабильность..... 25

1.5 Постановка задачи исследования .......... 27

2 Получение тонких сверхпроводящих пленок УхВа^С30

2.1 Способы получения тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников............. 30

2.2 Методика получения тонких пленок системы У — В а — Си —О магнетронным распылением на постоянном токе........................ 35

2.3 Свойства полученных пленок ............ 40

3 Вольтамперные характеристики YlBa2Cщ0^^x пленок в

условиях тепловой мультистабильности 47

3.1 Схема экспериментальной установки и методика проведения опытов................... 47

3.2 Вольтамперные характеристики пленок в условиях линейного теплоотвода............... 52

3.3 Вольтамперные характеристики пленок в кипящем азоте . ........................ 58

4 Динамические режимы кипения азота на поверхности ВТСП-пленок 71

4.1 Влияние вскипания на динамику переключения

из сверхпроводящего в нормальное состояние . . 71

4.2 Тепловые осцилляции при пузырьковом кипении. Регулярные и стохастические режимы генерации пара...............................74

4.3 Определение корреляционной размерности по экспериментальным данным о динамике тепловых ос-цилляций. ............. 78

4.4 Тепловые осцилляции при кризисном переходе жидкость-пар ............................. 87

4.4.1 Критический неравновесный фазовый переход ....................... 87

4.4.2 Осциллограммы и спектры колебаний. 1//

- шум.........................................94

4.4.3 1// - шум (краткий обзор)....................102

4.4.4 1 // - шум при неравновесном фазовом переходе ..................................109

4.4.5 Оценка относительной упорядоченности системы по экспериментальным данным на

основе критерия "S-теорема"........ 111

Заключение ............................................. 116

Библиография ............................................. 120

Введение

Актуальность темы

Существует большой класс неравновесных фазовых переходов в системах различной природы, которые связаны с крупномасштабными тепловыми, гидродинамическими и электромагнитными возмущениями. Типичным примером такого неравновесного фазового перехода является, например, кризис кипения. Как правило кризис кипения имеет автоволновую природу или развивается как неустойчивость во встречных потоках пар - жидкость. Картина сильно усложняется, когда фазовый переход испытывает не только жидкость, но так же материал нагревателя. При этом наблюдается широкий спектр автоколебательных режимов теплообмена от регулярного до сложного хаотического. Типичным примером такого фазового перехода является кипение жидкого охладителя на поверхности ВТСП - пленки. В этом случае наблюдается сложное взаимодействие фазовых переходов жидкость - пар и сверхпроводник - нормальный проводник. В системе может возникнуть состояние тепловой мультистабильности, когда заданному значению управляющего параметра (транспортного тока) соответствует несколько стационарных состояний системы, переходы между которыми являются неравновесными фазовыми переходами.

Такая ситуация встречается при изучении динамики теплового разрушения сверхпроводящего состояния тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников, охлаждаемых непосредственно жидким азотом. Так как жидкий азот обладает широкой областью пузырькового кипения

и высокими значениями теплоты испарения то это приводит к широкому спектру режимов теплообмена.

Тонкопленочные ВТСП - элементы обладают высокой чувствительностью к изменению температуры ( в области слаборезистивного состояния) и малой инерционностью, что позволяет использовать их как датчики температуры и тепловых потоков и применить для экспериментального исследования динамики нерегулярных режимов теплообмена и взаимодействия режимов кипения с процессами формирования и динамики диссипативных структур.

Цель работы. Целью данной работы является изучение условий возникновения и эволюции спонтанных пульсаций теплообмена на примере нелинейной системы: сверхпроводник с током - жидкий охладитель. Выделение динамических (регулярных и хаотических), стохастических и шумовых составляющих нестационарного теплообмена для прогнозирования отклика системы на изменение управляющих параметров. Для решения поставленных задач необходимо было:

- Получить стабильные, высококачественные ВТСП - пленки с достаточно высокими характеристиками. Создать и оптимизировать технологию получения тонких ВТСП - пленок.

- Найти условия существования состояния тепловой бистабильности системы при линейном теплоотводе, определить вольтамперные характеристики тонких ВТСП - пленок при различных режимах управления тепловой нагрузкой.

- Определить области существования различных режимов теплообмена: токонесущий сверхпроводник - жидкий охладитель.

- Исследовать взаимное влияние смены режимов теплообмена с тепловым разрушением сверхпроводимости, а именно, переходов от однофазной конвективного теплообмена к режиму пузырькового

кипения и перехода от пузырькового к пленочному кипению, на тепловую устойчивость сверхпроводящего состояния.

- Определить динамические и статические характеристики тепловых пульсаций при кипении азота на поверхности ВТСП-пленок. По полученным данным найти характеристики колебаний теплоотдачи, связанные с возникновением, ростом и отрывом паровых пузырей.

Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные результаты:

- Экспериментально реализовано состояние тепловой бистабильности при джоулевом разогреве тонких пленок УВа2СщО^-х, измерены вольтамперных характеристик пленок в условиях тепловой бистабильности при различных режимах управления тепловой нагрузкой (режим фиксированного тока и режим фиксированного напряжения).

- Определены области стационарных состояний, связанных с различными режимами теплообмена в условиях тепловой мультистабильности при непосредственном охлаждении тонких пленок УВа^СщО^^ жидким азота.

- Оценены корреляционные размерности фазового пространства при переходе от периодической к стохастической генерации паровых пузырей.

- Обнаружено явление резкого возрастанию амплитуды термоколебаний при пузырьковом кипении азота в узком диапазоне изменения рассеиваемой мощности, связанное с локальным переходом от пузырькового к пленочному кипению.

Практическая ценность результатов. Полученные в работе новые экспериментальные данные о стационарных режимах теплообмена тонких

ВТСП - пленок с жидким азотом и динамике кипения на поверхности пленок представляют интерес для развития теории нестационарного теплообмена при кипении криогенных жидкостей на нелинейном тепловыделяющем элементе. Результаты экспериментального исследования режимов теплоотвода на тепловую устойчивость нагруженных током тонких ВТСП - пленок полезны для решения прикладных задач криоста-билизации сверхпроводящих тонкопленочных ВТСП - устройств.

Автор защищает:

- Экспериментальное определение областей стационарных режимов теплообмена токонесущих ВТСП - пленок с жидким азотом, свидетельствующих о состоянии тепловой мультистабильности.

- Результаты экспериментального исследования динамики

..и яч(угя . нормальной фазы при кипении азота на поверхности ВТСП -нагревателя. ■

- Экспериментальное обнаружение локального кризиса кипения, в области которого наблюдаются интенсивные тепловые пульсации со спектральной плотностью, обратно пропорциональной частоте (фликкер - шум).

- Найденные по полученным экспериментальным данным характеристики тепловых пульсаций при кипении азота на поверхности тепловыделяющего ВТСП - элемента (спектральные плотности, автокорреляционные функции, функции распределения, корреляционные размерности, энтропия).

Апробация работы.Результаты диссертации были представлены и докладывались на 30 Совещании по физике низких температур (Дубна, 1994 г.); Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994 г.);на III Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1996 г.);на Второй Российской конференции по теплообмену (Москва, 1998 г.).

В первой главе диссертации описаны особенности кипения жидкости на поверхности нелинейного нагревателя. Приведены возможные режимы кипения жидкости на греющей поверхности: конвективный, пузырьковый и пленочный. Особенно отмечено, что при росте пузыря на греющей поверхности возможно образование сухого пятна, т.е. области непосредственного контакта паровой фазы с нагревателем. Причем, под сухим пятном, вследствие локального ухудшения теплообмена, на поверхности нагревателя возникают значительные тепловые возмущения. Прохождение электрического тока через сверхпроводник может сопровождаться развитием тепловой неустойчивости, когда джоулево тепловыделение в возникших по той или иной причине резистивных областях не компенсируется теплоотводом в охладитель. В этом случае возникает состояние тепловой бистабильности (в общем случае - мультистабиль-ности) системы, при котором заданному значению управляющего параметра (транспортного тока) соответствуют два (или более) устойчивых состояния. Вольтамперная характеристика бистабильного сверхпроводника имеет характерный ¿'-образный вид и определяется стационарным решением уравнения теплопроводности. При рассмотрении неравновесных фазовых переходов в токонесущих средах ВАХ является аналогом уравнения состояния системы и в случае, когда поведение лимитируется тепловыми процессами, определяет стационарную плотность теплового потока с поверхности тепловыделяющего элемента. При наличии прямого контакта поверхности тепловыделяющего элемента и жидкого охладителя коэффициент теплоотдачи с поверхности уже нельзя считать постоянным. Его величина будет изменяться при изменении температурного напора - разности температур поверхности сверхпроводника и охладителя. Изменение коэффициента теплоотдачи обусловлено существованием различных режимов теплообмена греющей поверхности с жидким охладителем, а именно, однофазного конвективного теплообмена с перегретым пристеночным слоем, теплообменом с азотом в режи-

ме пузырькового кипения и теплообменом в режиме пленочного кипения. Сложная картина получается при сильном отклике на вскипание в неравновесных условиях, когда сам нагреватель является нелинейным элементом. Наличие обратной связи между нелинейными процессами в нагревателе, в частности, возникновением и динамикой нормальной зоны в сверхпроводнике, и теплогидродинамическими явлениями в жидком охладителе приводит к каскаду взаимодействующих (накладывающихся) фазовых переходов.

Во второй главе диссертации описана технология получения тонких пленок системы YBaCuO и приведены основные свойства полученных пленок. Приведен краткий обзор способов получения тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников. Основное внимание уделено используемому в данной работе способу магнетронного распыления на постоянном токе. Приведены параметры изготовленной магнетронной распылительной системы. Подробно описана технология получения тонких пленок YВа^СщО^-х распылением мишени стехиометрического состава как по трех стадийной технологии с последующим высокотемпературным отжигом, так методом in situ. Приведены результаты измерения основных сверхпроводящих свойств полученных пленок. Лучшие пленки были получены на подложках SrTiOz по двухстадийной технологии и имели температуры сверхпроводящего перехода Тс = 87 — 88 К с шириной перехода ДТ ~ 1К и плотностью критического тока jc ~ 106 А/см2 при 77 К и нулевом внешнем магнитном поле.

В третьей главе диссертации приведены результаты экспериментального исследования теплового разрушения сверхпроводимости тонких пленок УВаъСщОт-х в условиях нелинейного теплоотвода, связанного с кипением жидкого азота на поверхности тепловыделяющего ВТСП - элемента. Изучено тепловое разрушение нагруженных током тонких пленок УВа2Сщ07-х в условиях линейного теплоотвода. Приведены вольт-амперные характеристики пленок в условиях тепловой бистабильности

при различных режимах управления тепловой нагрузкой (режим фиксированного тока и режим фиксированного напряжения источника). Изучено влияние условий эксперимента (температура подложки, коэффициент теплоотдачи с поверхности пленок, геометрия пленок) на тепловую устойчивость сверхпроводников при джоулевом саморазогреве. Особое внимание при этом уделялось взаимодействию различных неравновесных фазовых переходов в контактирующих подсистемах. Измерены вольтамперные характеристики в условиях смены режима теплоотдачи с поверхности пленки, вызванной переходами от однофазного конвективного теплообмена с перегретым азотом к режиму пузырькового кипения и переходу от пузырькового к пленочному кипению (кризис кипения). Экспериментально показано, что пристеночный перегрев жидкого азота понижает тепловую устойчивость сверхпроводников.

Четвертая глава диссертации посвящена изучению динамики генерации паровых пузырей на поверхности тепловыделяющего ВТСП - элемента. При определенных условиях наблюдалась периодическая генерация, связанная со специфическим срабатыванием готового центра. Обнаружено явление резкого возрастания амплитуды тепловых колебаний в узком диапазоне изменения рассеиваемой мощности, связанное с образованием сухого пятна (локальный кризис кипения) на нелинейном нагревателе. Показано, что в этой области реализуется критический неравновесный фазовый переход, определяемый совпадением локальных наклонов вольтамперной характеристики и нагрузочной линии электрической схемы. Спектральная плотность колебаний в области критического неравновесного фазового перехода обратно пропорциональна частоте колебаний (1// - шум). Наблюдаемый 1// - шум сохранялся в достаточно широком диапазоне изменения наклона нагрузочной линии при заходе в докритическую область. На основании критерия 5 - теоремы оценена степень относительной упорядоченности системы при неравновесном фазовом переходе. Показано, что в соответствии с данным

критерием степень относительной упорядоченности растет при переходе от однофазного к двухфазному состоянию.

В заключении диссертации приведены основные результаты работы и выводы.

Глава 1

Кипение жидкости на поверхности нелинейного нагревателя

1.1 Режимы кипения и зарождения паровых пузырей на поверхности нагрева

Для возникновения кипения необходимы перегрев жидкости ( АТ) относительно температуры насыщения Т8 и наличие зародышей паровой фазы на поверхности нагрева.

Если построить зависимость плотности теплового потока ( q) от перегрева АТ = Тн — Т8 ( Тц - температура поверхности нагревателя) жидкости ( рис. 1.1 [1]) то на ней можно выделить два основных режима кипения: пузырьковое и пленочное.

При пузырьковом кипении пар образуется на поверхности нагрева в виде периодически возникающих пузырьков. При этом основная часть поверхности омывается жидкостью, а перенос теплоты происходит главным образом в прилегающем к поверхности пограничном слое.

При пленочном кипении на поверхности нагрева образуется пленка пара, отделяющая ее от основной массы жидкости. Подвод теплоты от греющей поверхности к жидкости происходит через паровой слой в основном путем теплопроводности (или при высоких АТ - излучением). Участок АБ на рис. 1.1 соответствует свободно конвективному тепло-

Рис. 1.1: Кривая кипения жидкости [1].

обмену без кипения. За точкой Б появляется кипение жидкости на стенке нагревателя. Дальнейшее развитие процесса изображается кривой БВ} которая идет значительно круче, чем А Б. Увеличение коэффициента теплоотдачи а = д/ДТ обусловлено снижением термического сопротивления пристеночного слоя жидкости при кипении. Интенсификация теплообмена зависит от числа действующих центров и обусловлена не только собственно парообразованием, но также вторичными эффектами. Давление в кипящей си