Распространение звука и кинетика фазового расслоения в сверхтекучих растворах 3Не - 4Не при сверхнизких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

рГо ОЛ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

' " ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИМ ИНСТИТУТ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР им. Б. И. Веркина

/

На правах рукописи УДК 536. 48

ШЕШИН Григорий Александрович

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА И КИНЕТИКА ФАЗОВОГО РАССЛОЕНИЯ В СВЕРХТЕКУЧИХ РАСТВОРАХ 3Не-4Не ПРИ СВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

01.04. 09 - Физика низких температур

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Харьков - 1993

Работа выполнена в Физико-техническом институте низких температур АН Украины им. Б. И. Веркина,

Научные руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

РУДАВСКШ Э. Я.

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

МОНАРХА Ю. П.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

БОГОЯВЛЕНСКИМ И. В.

Ведущая организация; Российский Научный центр " Институт

им. И.В.Курчатова 123182, Москва.

Защита состоится " 8 " февраля 1994 г. в- 1500 на заседании Специализированного Совета К 016.27.02 при Физико-техническом институте низких температур АН Украины (310164, Харьков, проспект Ленина, 47, ФТИНТ АН Украины}.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Физико-технического института низких температур АН Украины.

Автореферат разослан " " 1993г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной Гербовой печатью, просим направлять по адресу: 310164, г.Харьков, пр. Ленина, 47, ФТИНТ АН Украины, Ученому секретари Специализированного совета К 016.27.02.

Ученый секретарь Специализированного Совета

С А. М. Кислов)

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Объектом исследования в данной диссертационной работе являются сверхтекучие растворы 3Не-4Не, которые в области низких и сверхнизких температур образуют набор квантовых жидкостей. Среди большого разнообразия эффектов, наблюдаемых в этой системе, одним из наиболее интересных является фазовый переход I рода - фазовое расслоение растворов на концентрированную и разбавленную фазы. В достаточно широком температурном интервале разбавленную фазу можно рассматривать как раствор нормальной ферш1 - жидкости в сверхтекучей бозе - жидкости. Еще более экзотическая квантовая система предсказывается, если фермиевская компонента раствора за счет куперовского спаривания перейдет в сверхтекучее состояние. Сам факт наличия фазового перехода I рода позволяет использовать систему 3Не-4Не для изучения кинетики фазового перехода в области очень низких температур, где возможно проявление квантовых эффектов. С точки зрения техники - фазовое расслоение растворов 3Не-4Не на две фазы с сильно различающимися термодинамическими характеристиками позволило реализовать один из самых эффективных методов получения сверхнизких температур, основанный на растворении 3Не в 4 Не.

Благодаря отмеченным особенностям жидкие растворы 3Не-4Не в настоящее время продолжают оставаться одной из самых актуальных и активно исследуемых систем в физике низких температур. К началу выполнения данной диссертационной работы практически неизученным был круг вопросов, связанных с кинетикой фазового расслоения растворов, особенно в области сверхнизких температур. Такие исследования чрезвычайно важны, поскольку можно рассчитывать, что в данной системе фазовый переход реализуется в наиболее чистом виде путем гомогенного зародышеобразования, так как в растворах 3Не-4Не можно легко исключить наличие примесей и влияние поверхностных эффектов. Кроме того, в исследуемой области температур возможно проявление квантовых эффектов. Экспериментальные исследования кинетики фазового перехода в растворах составляют центральную часть диссертации.

Другой круг вопросов, который также требовал экспериментального изучения, был связан с исследованием поведения сверхтекучих растворов 3Не-4Не при таких температурах и концентрациях, когда основной вклад в кинетические процессы вносят квазичастицы 3Не, а влиянием фононов и ротонов можно пренебречь. Такое поведение растворов может быть наглядно продемонстрировано на примере акусти-

ческих свойств и затрагивает проблему кинетики примесонной системы растворов. Цикл работ, проведенных в этой области в последние годы в ФТИНТ АНУ, позволил детально изучить кинетику фонон-примесной системы растворов, однако эксперименты в чисто примесной области практически не проводились. Интерес к этой проблеме связан также и с наличием теоретических исследований в этой области, которые требовали экспериментальной реализации. Кроме самостоятельного интереса, акустические исследования сверхтекучих растворов 3Не-4Не могут также составить основу нового метода экспериментального изучения кинетики фазового расслоения. Изложенные выше обстоятельства определяют актуальность экспериментального исследования кинетики фазового расслоения и акустических свойств сверхтекучих растворов 3Не-4Не.

Целью настоящего исследования явилось:

1. Экспериментальное изучение скорости первого звука в примесонной системе сверхтекучих растворов 3Не-4Не при сверхнизких температурах и сравнение полученных результатов с предсказанием теории.

2. Обнаружение и исследование метастабильных сверхтекучих растворов 3Не-4Не в широкой области температур и концентраций.

3. Определение допустимых пересыщений и возможных механизмов эародыаеобразования при фазовом переходе.

4. Исследование кинетики роста новой фазы.

Научная новизна. При низких и сверхнизких температурах впервые определена область существования метастабильных долгоживущих сверхтекучих растворов, образование которых предшествует фазовому расслоению. Получена температурная зависимость достижимого пересыщения, которая выше 50 мК свидетельствует в пользу термоактиваци-онного механизма зародышеобразования. Изучена кинетика роста новой фазы с помощью одновременных измерений скорости звука и диэлектрической постоянной.

Впервые измерена зависимость скорости первого звука от концентрации сверхтекучего раствора 3Не-4Не при сверхнизких температурах и показано, что акустические свойства растворов в этой области температур определяются примесонной подсистемой раствора, а влиянием тепловых эффектов можно пренебречь уже ниже 50мК.

Достоверность результатов диссертации подтверждается следующим:

1. Адекватностью использования экспериментальных методик, каждая из которых проверялась с помощью специальных калибровочных измерений.

2. Анализом возможных погрешностей измерений.

3. Хорошей воспоизводимостьв данных, полученных в различных сериях измерений.

Научная и практическая значимость работы. Полученные в диссертации новые результаты о кинетике зародышеобразования новой фазы из метастабильного сверхтекучего раствора 3Не в 4Не расширяют представления о фазовом переходе I рода. Обнаруженный термоактива-ционньгй механизм зародышеобразования при температурах выше S0i.dC носит обадой характер и проявляется в других система);, имеющих метастабильную фазу.

Новые сведения о величинах достижимых пересыщений, полученные в работе, важны для дальнейшего развития физики фазовых переходов в сверхтекучих растворах 3Не-4Не, особенно при сверхнизких температурах.

Акустические эксперименты с концентрнрованымя растворами 3Нз-4Нз при сверхнизких температурах позволили показать справедливость развитой ранее кинетической теория сверхтекучих растворов о превалирующей роли примосопной системы в их свойствах при сверхнизких температурах.

Экспериментальные исследования скорости первого звука и диэлектрической постоянной позволили наблюдать кинетику роста новей фзои в процессе расслоения. В работе определены врокепа роста капель новой фазы и времена их всплытия с образованием объемной фазы концентрированного раствора.

Разработанные и созданние в процессе выполнения работы экспериментальные методы и устройства имеет и самостоятельное значение. Рефрижератор растворения, используемый в работе для получения сверхнизких температур, «охот быть применен для выполнения различных физических исследований. В практике акустических измерений при низких температурах кокет быть использована методика измерения скорости звука, обеспечивавшая минимальные тепловыделения в процессе измерений и гарантирующая высокую точность измерений. Методика непрерывного изменения концентрации, имеющая самостоятельный интерес, может быть использована для исследования любых свойств сверхтекучих растворов. Кроме того, тепловой ключ, применяемый в работе, можно использовать для быстрого охлаждения больших исследуемых объемов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментально обнаружено долгоживущее метастабильное состояние сверхтекучих растворов 3Не-4Не и определена область его существования в широком интервале температур 30-250мК.

2. Измерены значения достижимых пересыщений Дх и показано, что в области температур 50-250мК имеет место температурная зависимость Дх ~ Т~1/2, характерная для термоактивационного зародыше-образования.

3. Исследована кинетика образования и роста новой фазы в процессе расслоения с помощью одновременных измерений скорости звука и диэлектрической постоянной. Показано, что при этом избыточный 3Не в пересыщенном растворе может находиться как в виде отдельных атомов, так и в виде капель - зародышей новой фазы.

4. Проведены прецизионные измерения скорости первого звука в растворах в области температур 25 - 180мК и концентраций 0 - 6,5% 3Не и установлено, что полученные концентрационные и температурные зависимости согласуются с кинетической теорией примесной подсистемы растворов.

3. Разработан и апробирован оригинальный метод непрерывного изменения концентрации сверхтекучих растворов непосредственно в ходе эксперимента за счет изменения осмотического давления и давления фонтанирования.

Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях по физике низких температур: Ы-19 ( Лондон, Великобритания, 1991 ) и ЬТ-20 (Юджин , США, 1993 ) , на Международном семинаре по физике квантовых жидкостей и кристаллов ( Карзкес, Франция, 1993г. ), на Международной конференции "Физика на Украине" ( Киев, Украина, 1993г. ), на Совещании по физике низких температур ( Казань, Россия, 1992г. ), на 11 Всесоюзной акустической конференции ( Москва, 1991г. ), на XXVI Всесоюзном совещании по физике низких температур ( Донецк, 1990г. ), на Республиканских семинарах: IV ( Донецк, 1989г. ), V (Алушта, 1991 ), на Научно - технических конференциях молодых исследователей ( Харьков, 1989,1990,1991г. ). Основное содержание работы изложено в 20 научных работах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с 23-ю рисунками и 2-я таблицами, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 116 страниц машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность, цель работы, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научное и практическое значение настоящей работы.

Первая глава диссертации носит вводный характер. В ней излагаются основные положения теорий, описывающих кинетические свойства

\

сверхтекучих растворов 3Не-4Не, термоактивационное и подбарьерное гомогенное зародышеобразование, и проводится анализ имеющихся экспериментальных исследований акустических свойств растворов 3Не-4Не и кинетики фазового расслоения. В конце главы сформулированы выводы и постановка задачи данной диссертационной работы.

Во второй главе диссертации описана экспериментальная техника и результаты измерения скорости первого звука в примесонной системе сверхтекучих растворов 3Не-4Не при сверхнизких температурах.

В разделе 2.1 приведена схема рефрижератора растворения с внешним циклом циркуляции 3Не, который • нал данной рабо-

ты был дополнен секцией с тремя дискретными ; ::.:• -менниками из спеченного медного порошка. При этом в холостом рст^. температура достигала своего минимального значения 13мК. а .очсаипрсизводи-тельность при ЮОмК составляла 80мкВт и при 25мК 4'ч!'г.

В разделе 2.2 подробно описывается техника аку л ;г,. :.-ких измерений. Измерительная ячейка со спеченным медным тепло .сменнпком. была соединена с камерой растворения посредствам пр>ги Г.л ого соединения. Для измерения температуры ячейки использовало • кристаллизационный термометр, основанный на кривой плавления "'.Чо Лл.ч определения скорости первого звука в сверхтекучих растворах •'Не -4Не при сверхнизких температурах была разработана оригинальная методика, основанная на известном способе наложения эхо- импульсов и обеспечивающая минимальное выделение тепла в процессе измерений при высокой точности измерений (10~5-10~6 ).

В разделе 2.3 описывается методика проведения акустических экспериментов в однородных сверхтекучих растворах с известной концентрацией. Для этого в измерительную ячейку конденсировали чистый 4Не, и затем в ячейку подавали порциями известнее количество 3Ке. и какдый раз после изотермической выдера-ки около часа р.тисто'.и . вали изменение скорости звука Дс по сравнению со скоро-Т1 г, .. . . 4Не при Т = О: Дс= с(,0,0 ) - с(х,Т >, где с(0,У >=233. ..) м с. е;».. щество такого способа измерений состоит в том. что исключает:! необходимость дополнительной нормирозки экспериментальных дани'.;;;

В разделе 2.4 приводятся результаты исследований концентрационной и температурной зависимости скорости звука. - Полученные зависимости величины Ас/с от концентрации 3Не приведены на рис.1.а,б при двух фиксированных температурах. Результаты, относящиеся к температуре 165мК, нанесены вместе с данными работы Абрахама и др (Д). При этой температуре концентрационная зависимость скорости звука, как известно, заметно отличается от линейной, что связано с тепловыми эффектами, зависящими от концентрации

ло/о-ю 10 я с •1

С

'но

Рис. 1 Зависимость относительного изменения скорости первого звука от концентрации раствора, при Т=165мК(а) и 28мК(б).

раствора. Однако при понижении температуры, как показали наши из мерения, роль тепловых эффектов уменьшается, и можно считать, что ниже 50ыК зависимость Дс/с от х становится практически линейной. Это видно из рис.1.6, где приведен результат эксперимента, относящийся к температуре 28мК.

Сопоставим полученные экспериментальные данные с имеющимися теоретическими представлениями. Согласно кинетическим теориям Бейма-Саама и Аданенко-Цыганка, при расчете скорости первого звука удобно выделить две группы слагаемых- первую, не зависящую от температуры и зависящую от концентрации, и вторую, которая содержит зависимость Дс/с как от концентрации, так и от температуры. Рассчитанные зависимости Дс(х,Т)/с от концентрации и температуры приведены на рисунке сплошной линией. Из рис.1.а,б видно, что полученные результаты эксперимента согласуются с предсказанием теории. Заметим, что экспериментальные данные получены без какой-либо дополнительной нормировки, а расчетные значения- без подгоночных параметров. Анализ показывает, что основной вклад в изменение скорости первого звука вносит независящее от температуры линейное уменьшение скорости с концентрацией. Таким образом, можно считать, что в условиях данного эксперимента звук распространяется в принесенной подсистеме растворов, а влияние фононов пренебрежимо мало.

Следует заметить, что такая простая линейная зависимость скорости первого звука от концентрации может бать использована как один из методов регистрации изменений концентрации в процессе фазового расслоения, что и было сделано в дальнейшем.

Во третьей главе диссертации описана экспериментальная техника, используемая для исследования кинетики фазового расслоения

растворов 3Не-4Не.

В разделе 3.1 описывается оригинальный метод непрерывного изменения концентрации раствора непосредственно в ходе эксперимента, что необходимо для того, чтобы инициировать фазовое расслоение. В основе метода лежит использование специфических для сверхтекучих растворов явлений - термоосмоса и эффекта фонтанирования. Если сверхтекучий раствор 3Не-4Не с исходной концентрацией х0заполняет две камеры - измерительную и управляющую с объемами соответственно V и У2, и камеры соединены между собой капилляром, то в-стационарном состоянии должно выполняться условие постоянства химического потенциала 4Не, что приводит к равенству суммы давлений осмотического (П) и фонтанирования (Р ) в каждой из камер:

ПСТ^х) + РГ(Т1 ) = ПСТ2,х) + РГ(Т2 ) (1)

где Т1 ,-х и Т2,х2 - давление и концентрация в первой и второй камерах. Так как П и Р зависят от температуры, то, например, с повышением температуры в одной из камер концентрация 3Не в ней уменьшается, и происходит перетекание 3Не во вторую камеру. Чтобы одназначно определить концентрации х их, условие (1) необходимо

о

дополнить уравнение»!, выражающим закон сохранения количества Не во всей системе:

Vе + V = + (2)

Таким образом, если известна исходная концентрация, объемы и температуры обеих камер, то в любой момент времени можно определить концентрации в каждой камере.

Обсуждаемый метод реализуется с помощью двухкамерной ячейки, конструкция которой описана в разделе 3.2. Измерительная камера находилась в постоянном тепловом контакте с камерой растворения,а управляющая камера имела тепловой контакт с камерой испарения через тепловой ключ со сверхтекучим 4Не (раздел 3.3), который обеспечивал за счет своей высокой конвективной теплопередачи практически безынерционную тепловую связь между источником холода и исследуемым объектом. Размыкание ключа осуществляется за счет специфического явления для НеП - термомеханического эффекта.

Апробация данной методики была проведена с помощью специальных акустических измерений и описана в разделе 3.4. Изменение концентрации в измерительной камере регистрировалось с помощью измерений скорости звука. Полученные результаты сравнивались с термодинамическим расчетом, проведенным по формулам (1,2). В результате было получено согласие экспериментальных данных с расчетными в пределах погрешности.

В разделе 3.5 описывается методы получения и регистрации фазового расслоения. Для этого исходным было состояние исследуемого раствора, при котором температура и концентрация раствора в измерительной камере соответствовали точке на фазовой диаграмме, лежащей левее равновесной линии расслоения. При этом температура управляющей камеры составляла ~ 0,8 К, а температура измерительной камеры могла быть стабилизирована в интервале температур от 30 до ЗООтК. После этого тепловой ключ размыкался, что приводило к тепловой изоляции управляющей камеры. Дальнейшее увеличение концентрации 3Не Xj в измерительной камере осуществлялось путем медленного нагрева управляющей камеры со скоростями 4 + 6 мкК/мин. При такой скорости температура измерительной камеры оставалась постоянной в пределах 1,0 - 0,5 мК. Величина xt измерялась двумя способами - акустическим и емкостным.

Звуковая ячейка и конденсаторный датчик помещались в измерительной камере таким образом, чтобы после расслоения исходного однородного раствора они располагались в нижней фазе расслоившегося раствора. Измерения проводились при давлениях в ячейке около 400 Topp, которое регистрировалось с помощью ртутного манометра. Таким образом, в эксперименте регистрировалась зависимость от времени относительной скорости звука Дс/с и емкости С по мере нагрева управляющей камеры, т. е. по мере увеличения концентрации 3Не в измерительной камере.

В четвертой главе работы описаны исследования кинетики фазового расслоения сверхтекучих растворов 3Не-4Не при сверхнизких температурах и делается попытка сопоставить полученные результаты с имеющимися теоретическими рассмотрениями.

В разделе 4.1 приведен типичный временной ход зависимостей скорости звука и диэлектрической постоянной раствора от времени (рис.2.а,б). С ростом концентрации наблюдалось монотонное изменение как скорости звука, так и емкости, причем эта монотонность не изменялась при переходе через линию фазового расслоения. Состояния, соответствующие моменту перехода через равновесную линию расслоения, отмечены на рис.2.а,б стрелками. Аномальное поведение Дс/с и С наблюдалось позднее, после весьма заметного пересыщения Дх раствора. При этом имели место скачки значений Дс/с и С до величин, соответствующих их равновесным значениям (пунктирные линии на рис. 2. а, б). Это означает, что переход к новой фазе при фазовом расслоении раствора происходит через метастабильное состояние, как и при других фазовых переходах первого рода. Эксперименты показали, что наблюдаемая метастабильная фаза сверхтекучих растворов

Ли/о- 10

Рис.2 Зависимость от времени относительной скорости первого звука и емкости конденсаторного датчика (давление 300 Topp; Т}= 75мК; xq=0,88%; стрелка указывает момент времени,

когда должно было наступить расслоение в соответствии с равновесной фазовой диаграммой ).

292,86

г,час

3Не - 4Не является долгоживущей. Система, находящаяся в метаста бильном состоянии, как видно из рис.2, быстро переходит в устойчивое состояние путем расслоения только тогда, когда концентрация х4 будет иметь некоторое значение, соответствующее достижимому пересыщению. При этом результаты, полученные из акустических измерений, согласуются с емкостными данными.Поскольку в условиях данного эксперимента отсутствовала свободная граница жидкость-пар, то тем самым исключались условия, когда концентрированная фаза может возникать и развиваться из поверхностного слоя, богатого 3Не. Поэтому расслоение пересыщенного раствора должно осуществляться за счет образования зародышей новой фазы в объеме метастабильного раствора. Аналогичные измерения были проведены при других температурах, и в итоге построена область существования метастабильной фазы сверхтекучих растворов 3Не-4Не между равновесной линией оас-слоения (бинодалью) и линией достижимых пересыщений (рис.3). Линия, соответствующая равновесной линии фазового расслоения при данном давлении, показана сплошной линией, а экспериментальные точки, получены на основании акустических и емкостных измерений, определяют линию достижимого пересыщения. Результаты согласуются между собой в пределах суммарных экспериментальных ошибок.

Полученную в эксперименте температурную зависимость пересыще ния раствора можно сопоставить с предсказанием теории Лифшица-Полесского - Хохлова. Пунктирная линия соответствует

Лх~ Г

-1/2

характерной для термоактивационного

зависимости зародышеобразова-

4

3

2

О

1

Рис. 3 Линия фазового расслоения (- ) и линия достижимых пересыщений С —) по данным о скорости звука ( Д ) и диэлектрической проницаемости ( о ) (давление ^ 0,5 атм).

хД^э

ния. Качественное согласие при Т > 50мК сведетельствует в пользу этого механизма зародышеобразоваиия. При Т < 50мК имеет место заметное отклонение от этой зависимости (см. рис.ЗХ

В разделе 4.2 приводятся экспериментальные данные о зависимости величины пересыщения от скорости увеличения концентрации раствора. Такие исследования были инициированы тек, что после появления экспериментов, описанных в предыдущем раздело, аналогичные измерения, но другими методами, били проведены еще в двух группах, и полученные результаты плохо согласуются мезду собой. Одной из возможных причин такого различия кохет быть влияние условий проведения эксперимента на кинетику фазового расслоения (во всех эксперимента;: были разные скорости изменения кэтастабплыюсти ц различные экспериментальные объемы). Влияние скорости изменения концентрация (х) на величину пересыщения (Дх) и проверялось экспериментально. Измерения показали, что пересыщение растет с увеличением скорости изменения концентрации по слабому степенному закону, близкому к 1/3. Если учесть разные экспериментальные условия и привести к одному и тому г.е значению х и объему, то получается гораздо лучшее согласие и более четко виден термоактивацпонный характер температурной зависимости пересыщения при Т>50мК. Ниже 50мК Дх почти не зависит от температуры, что мсест свидетельствовать о проявлении квантовых эффектов при зародышеобразов'ании.

В разделе 4.3 описаны исследования кинетики зародцщеобразова-ния и роста новой фазы в процессе расслоения. Одновременные измерения изменений скорости первого звука и диэлектрической постоянной от времени в процессе фазового расслоения (рис.4) позволяют получить такие сведения. Из графиков следует интересный результат

- метод диэлектрической проницаемости и.акустический метод показывают разную кинетику изменения концентрации разбавленной фазы в первые минуты после расслоения. Однако этот график был получен в предположении,что весь избыточный 3Не находится в растворе в виде

Рис. 4 Кинетика изменения пересыщения нижней расслоившейся фазы раствора сразу после начала фазового перехода, полученная из измерений скорости звука ( Д ) и диэлектрической проницаемости ( о ), 7 = 111мК, Р = 485 Topp.

атомов. Неадекватность полученных при этом результатов свидетель ствует в пользу того, что часть избыточного 3Не, соответствующая концентрации Axd, должна находиться в виде зародышей-капель новой фазы. Тогда необходимо учесть влияние зародышей - капель новой фазы как на изменение скорости первого звука, так и на диэлектрическую проницаемость. Такая проблема была недавно рассмотрена теоретически в работе Адаменко и др. , где была решена задача о распространении плоской монохроматической волны первого звука в пересыщенном сверхтекучем растворе 3Не в Hell и рассмотрены диэлектрические свойства такой системы. Если решить полученные ими уравнения, описывающие изменения скорости звука и диэлектрической прони-

Дх,% Не

f 3

L 2

— ' 1

мо Я» t.cek

Рис.5 Изменение во времени вкладов в пересыщение раствора, вносимых атомами (1) и зародышами - каплями новой фазы ( 2 ), а также кинетика удаления избыточного 3Не из нижней фазы ( 3 ), Т = ШмК, 800 Р = 485 Topp.

цаемости с учетом полученных в данной работе экспериментальных данных, то можно ответить на вопрос, как образуется новая фаза (рис.5). В первый момент после начала фазового перехода (1=0 > все пересыщение Дхп присутствует в виде атомов ( кривая 1 ) - Дх = Дхп, а капли новой концентрированной фазы еще не образовались (кривая 2) - Дха= 0. Формирование зародышей в виде капелек активно происходит в первые 50 секунд ( рост Дх^! ), что, естественно, сопровождается резким уменьшением Дх. Одновременно с этим на- 13 -

чинается процесс "очистки" нижней разбавленной фазы от "лишнего" 3Не (кривая 3), который поднимается вверх и образует концентрированную фазу. Этот процесс происходит как за счет диффузии, так и за счет всплытия более легких капелек 3Не. На рис. 5 четко проявляется максимум на кривой Дха, который связан с конкурирующим влиянием двух процессов - процесса образования и роста капелек концентрированной фазы и процесса "очищения" разбавленной фазы. Кривая 3 на рис. 5 получена вычитанием из полного пересыщения раствора Дхп суммы вкладов Дх(1) + Дх^О, т.е. она показывает то количество избыточного 3Не, которое идет на формирование верхней расслоившейся фазы. Приведенные данные показывают, что через ^ 100 сек формирование новой фазы, в основном, завершается. Полученное значение характерного времени формирования верхней расслоившейся фазы согласуется с недавними ЯМР экспериментами, где регистрация фазового расслоения в сверхтекучих растворах проводилась методом ЯМР , причем датчик регистрировал процессы, происходящие именно в верхней концентрированной фазе.

В заключении диссертации сформулированы следующие основные результаты работы:

1. Разработан и создан низкотемпературный блок с дискретными теплообменниками, позволивший понизить минимальную температуру рефрижератора растворения до 12мК и существенно увеличить его холо-допроизводительность до 80мкВт при ЮОмК и 4мкВт при 25мК.

2. Создана и налажена прецизионная методика относительных измерений скорости первого звука, основанная на принципе наложения эхо-импульсов, при минимальном выделении тепла в процессе измерений.

3. Проведены экспериментальные исследования температурной и концентрационной зависимостей скорости первого звука в сверхтекучем растворе 3Не-4Не в области концентраций от чистого 4Не до 6,5% 3Не и при температурах от 180мК до 25мК. Анализ полученных данных показал, что основной вклад в изменение скорости первого звука в примесонной системе растворов вносит независящее от температуры линейное уменьшение скорости с концентрацией, а вкладом тепловых возбуждений можно пренебречь.

4. Создана и налажена оригинальная методика непрерывного изменения концентрации исследуемого раствора непосредственно в ходе эксперимента, основанная на изменении осмотического давления и давления фонтанирования.

5. Разработан и создан тепловой ключ, рабочим веществом которого является сверхтекучий 4Не, позволяющий быстро охлаждать боль- 14 -

цие объемы исследуемой жидкости до температуры 0,7К и дающий возможность отогревать рабочую камеру до температуры ^ 1,5К без зидимого влияния на режим работы рефрижератора растворения.

6. Создана и налажена методика независимых измерений концентрации исследуемого раствора с помощью измерений диэлектрической проницаемости, позволившая проводить измерения изменений концентрации раствора с точностью ± 10'2У. 3Не.

7. В широкой области температур и концентраций зарегистрировано долгоживущее метастабильное сверхтекучее состояние растворов 3Не-4Не, через которое осуществляется фазовый переход к расслоившимся фазам. На фазовой диаграмме растворов 3Не-4Не определена область существования метастабильного состояния между равновесной линией раслоения и линией достижимых пересыщений.

8. Измерены значения достижимых пересыщений Дх сверхтекучих растворов 3Не-4Не при различных температурах и концентрациях. Установлено, что в области температур 50 - 250мК имеет место зависимость Дх2-Т = const, характерная для термоактивационного механизма зародышеобразования. Отклонение от этой зависимости, обнаруженное ниже 50мК, может быть связано с проявлением квантовых эффектов.

9. С помощью одновременных измерений скорости первого звука и диэлектрической проницаемости изучена кинетика образования новой фазы в процессе расслоения растворов 3Не-4Не. Было установлено, что в первый момент после начала фазового перехода весь избыточный 3Не в пересыщенном растворе присутствует в виде растворенных атомов, а формирование капель - зародышей новой фазы активно происходит в течение 20-50 секунд. Одновременно с этим начинается всплытие зародышей - капель за счет гравитации и образование коицентри-рованой фазы в измерительной ячейке. Формирование новой фазы, в основном, завершается через 100 секунд.

10. Проведено экспериментальное исследование величины пересыщения метастабильного раствора. Обнаружено, что Дх растет с ростом скорости изменения концентрации по слабому степенному закону. Для выяснения причин такого поведения требуются дополнительные экспериментальные и теоретические исследования.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Рудавский Э.Я. , Чаговец В. К. , Шешин Г. А.// ФНТ. - т. 15, N7.-

1989,- с. 568-573.

2. Рудавский Э. Я., Чаговец В. К., Шешин Г. А.// И Всесоюзная

акустическая конференция. Москва, - 1991.- с. 39-42.

3. Михеев В. А., Мовсесян Г. Д., Бабаян К. 3. , Мина Р. Т. ,

Майданов В. А. , Михин Н. П. , Чаговец В. К. , Шешин Г. А.

// ПТЭ.- 1989.- N1,- с. 226-227.

4. Рудавский Э. Я. , Чаговец В. К. , Шешин Г. А. // а. с. N1552015 (СССР),- опубл. *Б.И. N11.- 1990.

5. Рудавский Э. Я. , Чаговец В.К. , Шешин V.K.// IV Республиканский семинар по физике и технике сверхнизких температур (тезисы докладов ). Донецк. - 1989. - с. 48-49.

6. Рудавский Э. Я. , Чаговец В. К. , Шешин Г. А. // XX Научно-техническая конференция молодых исследователей (тезисы докладов) Харьков.- 1989.- с.170-171.

7. Михеев В. А., Рудавский Э. Я. , Чаговец В. К., Шешин Г. А. // IV Республиканский семинар по физике и техники сверхнизких температур (тезисы докладов). Донецк, - 1989.- с.44-45.

8. Михеев В. А. , Рудавский Э. Я. , Чаговец В. К., Шешин Г. А. // XX Научно-техническая конференция молодых исследователей (тезисы докладов ). Харьков. - 1989.- с. 168-169.

9. Михеев В. А., Рудавский Э. Я. , .Чаговец В. К.,Шешин Г. А. //ФНТ. - т. 15,N7,- 1989,- с. 767-770.

10. Рудавский Э. Я. , Чаговец В. К., Шешин Г. А. // ПТЭ. - 1991,-N4.- с. 226-227.

11. Михеев В. А., Рудавский Э. Я. , Чаговец В. К. , Шешин Г. А. // XXVI Всесоюзное совещание по физике низких температур. Донецк, - 1990,- т. 2, с. 72-73.

12. Mikheev V.A. , Rudavskii E.Y. , Chagovets V.K:, Sheshin G. A. //Physica B, - 1991,- p. 511-512.

13. Шешин Г.A. // XXI Научно- техническая конференция молодых исследователей ( тезисы докладов). Харьков. - 1990,- с. 29-30.

14. Шешин Г.А. // XXII Научно- техническая конференция молодых исследователей (тезисы докладов). Харьков. - 199i.- с. 19-20.

15. Михеев В. А. , Рудавский Э. Я. , Чаговец В. К. , Шешин Г. А.

// ФНТ. - т. 17,N4,- 1991,- 445-450.

16. Михеев В. А. , Рудавский Э. Я. , Чаговец В. К. , Шешин Г. А. // XXIX Совещание по физике низких температур. Казань. -1992.-с. 74

17. Михеэв В. А., Рудавский Э.Я. , Чаговец В. К. , Шешин Т.к.// ФНТ. -. T18.N10. - 1992.- с. 1091-1095.

18. Mikheev V. А. , Rudavskii Е. Y. , Chagovets V.K.,' Sheshin G. А. // EST Network on quantum fluids and solid first workshop: superfluidity. Cargese.-1993.-p.228- 231.

19. Майданов В. A. , Михеев В. А., Михин H. П. , Омелаенко Н. Ф. , Рудавский Э.Я. , Чаговец В. К. , Шешин Г. А. ..// ФНТ.-

т 18 N9 - 1992.- с. 943-951.

20. Chagovets V. К. ', Maidanov V. А. , Mikhin N. P. , Omelaenko N. F. , Mikheev V.A., Rudavskii E.Y. , Sheshin G.A. // International conference Physics in Ukraine Kiev. - 1993.- p. 59-62.

ШЕШИН Григорий Александрович

Ответственный за выпуск - кандидат физ.-мат. наук Соколов С. С.

Подписано к печати 17 декабря 1993 Усл. печ. л. 1

Учетн. изд. л. 1 Заказ N 85 Тирах 100 экз. Бесплатно

Ротапринт ФТИНТ АН Украины, 310164, Харьков-164, пр. Ленина, 47