Рассеяние фонов дислокациями и процессом возврата в пластически деформированных образцах гелия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Литературный обзор.

§1. Свойства гелия.

§2. Теплопроводность диэлектриков.12.

§3. Дефекты в гелии.

§4. Процессы возврата.

Глава II. Экспериментальная методика.'.

§1. Конструкция прибора и термометрия.

§2. Приготовление образцов чистого 4Не.

§3. Приготовление образцов из смеси 4Не+ %е.

Глава III. Теплопроводность образцов из чистого 4Не.

Процессы возврата.

§1. Теплопроводность исходных образцов. Результаты и обсуждение.

§2. Методика измерений теплопроводности деформированных образцов гелия.

§3. Теплопроводность пластически деформированных образцов 4Не.

§4. Процессы возврата в образцах чистого 4Не.

§5. Обсуждение результатов.

Глава 1У. Теплопроводность деформированных образцов

Не и процессы возврата в них.

§1. Теплопроводность образцов

4Не, содержащих примесь 3Не.

§2. Возврат в пластически деформированных образцах из имеои 4Не+3Не.

§3. Обсуждение результатов.

Заключения и выводы.

Лит ература.

Актуальность теш. Твердый гелий - идеальный модельный объект для изучения роли различных механизмов переноса энергии в твердом диэлектрике /I/. Высокая сжимаемость при небольших давлениях позволяет существенно изменять характеристики кристаллов (дебаевскую температуру 0 , молярный объем Vh , температуру плавления 1ил) от опыта к опыту в о,дном и том же приборе, изменяя давление затвердевания. Образцы твердого гелия-4 можно выращивать высокой степени совершенства: монокристаллы с характерным-! размерами в несколько сантиметров при концентрации примеси менее 5.10"

Теплопроводность кристаллов гелия довольно подробно изучена. Измерения, выполненные на совершехЧных кристаллах из чистого %е, привели к обнаружению нового явления - гидродинамического (пуазей-левского) течения фононного газа в твердых телах /2,3/. Эти исследования стимулировали появление целой серии работ, посвященных изучению кинетических явлений в твердом гелии. С уменьшением давления затвердевания на свойствах твердого гелия сказываются квантовые эффекты (квантовый кристалл /4/) . Квантовые кристаллы сильно ангар-моничны и это должно сказаться на частоте фонон-фононных столкновений. Поэтому представляло интерес продолжить измерения теплопроводности твердого гелия на кристаллах, выращенных при давлениях близких к минимальному.

Очень интересен вопрос о свойствах дефектов в квантовом кристалле /4/. К настоящему времени методами ЯМР подробно исследована диффузия атомов примеси %е в %е и обнаружены эффекты квантового туннелирования атомов примеси при малых кониентрациях /5/ и локализация примесонов при больших концентрациях (я;

5%) /6/. Сво! ^ства дислокаций в гелии были изучены гораздо слабее. Ультразвуковые исследования /7/ показали, что при низких температурах звук в гелии сильно затухает и это можно было объяснить рассеянием звуковых волн на дислонациях. В связи с этим представляло интерес изучить взаимодействие Кононов с дислокациями в кристаллах гелия. Один из методов подобных исследований - изучение влияния пластической деформации на теплопроводность. В ходе экспериментов обнаружилось, что подвижность свежевведенных дефектов в твердом гелии довольно высока. Это позволило исследовать кинетику процессов возврата как в образцах чистого так и в образцах, содержащих примесь атомов Таким образом нель диссертационной работы заключалась в изучение теплопроводности совершенных гелиевых кристаллов, выращенных при давлении близком к минимальному, и в исследовании влияния пластической деформации на теплопроводность образцов гелия и свойств дефектов, вводимых в объем при деформации кристаллов из чистого %е и из смеси %е + *%е. Для решения поставленной задачи требовалось разработать способ контролируемой деформации гелиевых кристаллов и методику исследований явлений возврата теплопроводности, а также изготовить прибор для работы с твердым гелием, в котором можно было бы поддерживать температуру гелиевого образна ниже IK в течение нескольких шок. о

Основные положения, представляете к защите состоят в следующем:

1. Измерение температурной зависимости коэффициента теплопроводности совершенных кристаллов из чистого %е, выращенных в тонких капиллярах при давлениях близких к минимальному давлению затвердевания.

2. Исследование влияния пластической деформации на теплопроводность образцов из чистого %е и из смесей %е + %е.

3. Наблюдение и изучение кинетики процессов возврата теплопроводности в деформированных образцах.

Новизна исследований, составляющих основное содержание диссертации, заключается в том, что впервые

I. Измерена температурная зависимость коэффициента теплопроводности монокристаллов %е диаметром 1мм и 1.8мм, выращенных из сверхтекучей жидкости при давлении 2.6 атм. Наблюдено развитое пуазейлевское течение фононного газа в образцах диаметром 1мм.

2. Изготовлен прибор, позволяющий проводить контролируемую деформацию совершенных гелиевых кристаллов.

3. Получены данные о влиянии пластической деформации на теплопроводность образцов гелия.

4. Обнаружено и изучено явление возврата теплопроводности в пластически деформированных образцах гелия. Определена эффективная энергия активации процессов возврата в образцах, выращенных при разных давлениях.

5. Обнаружено, что введение примеси %е до 0. о/о в образцы Не практически не сказывается на кинетике возврата. Увеличение концентрации примеси до Ъ% привело к изменению скорости возврата при высоких температурах отжига и не сказалось на скорости при низких температурах.

6. Проведены измерения теплопроводности сверхтекучего гелия-4 с содержанием примеси ^Не до 0.556 под давлением до 24 атм в интервале температур) 0.4 - 0.9К.

Научная и практическая значимость выполненной работы состоит в получении новых данных о теплопроводности твердого гелия, фонон-фононном рассеянии и рассеянии фононов на дефектах в гелиевых кристаллах. Изучена кинетика возврата теплопроводности пластически деформированных образцов. Полученные результаты позволяют глубже понять свойства квантовых кристаллов, указывают на необходимость развития теории явлений возврата в твердых телах и рассмотрения особенностей движения дислокаций в квантовых кристаллах. Полученный в диссертационной работе материал по возврату можно использовать при разработке установок по созданию высокого гидростатического давления, где в качестве передающей среды используется гелий. Данные по теплопроводности жидкого и твердого гелия полезны при эксплуатации уста-г новок, в которых теплопередающей средой является гелий.

Материалы, вошедшие в диссертацию были представлены на Всесоюзной конференции по физике низких температур (Харьков 80) , на Республиканских совещаниях по физике криокристаллов (Харьков 81, Донецк 84-) , на 75^ Юбилейной конференции по физике гелия (С.Энд-рюс 83, Англия ) , на Международной конференции по физике низких температур (Карлсруэ 84, ФРГ) , на Бакурианских коллоквиумах по физике гелия (.Вакуриани 82, 84) и докладывались на семинарах в ИШП АН СССР, Ж АН СССР, ИАЭ АН СССР. По материалам диссертационной работы имеется 4 публикации /8-11/.

Заключения и выводы.

1. Разработана методика пластической деформации гелиевых кристаллов и изготовлен прибор для изучения влияния пластической деформации на теплопроводность совершенных кристаллов гелия.

2. Разработала методика изучения кинетики процессов возврата теплопроводности в твердом гелии.■

3. Проведены измерения теплопроводности совершенных кристаллов из

4и чистого Не, выращенных в длинных изогнутых в полукольцо капиллярах диаметрами Ъ.-гм и 1.8мм из сверхтекучей жидкости под давлением ?>6 атм и из нормальной жидкости под давление!/: до 84 атм. Наблюдено возникновение развитого пуазейлевского течения фононного газа в образцах диаметром 1мм, выращенных: при Я6 атм. Оценена частота фонон-фононннх столкновений в та.ких кристаллах. Оказалось, что она примерно в 6 раз выше, чет.': в образцах,/выра-щенных при 85 атм при одинаковых приведенных температурах, т.е. с понижением давления затвердевания кристаллы становятся более ангармоничными. При одинаковых приведенных температурах j/^p частота нормальных столкновений фононов в кристаллах %е максимального молярного объема выше, чем в сверхтекучем Hell.

4. Исследовано влияние деформации на теплопроводность кристаллов из чистого %е. Обнаружено, что при степени деформации >0,?°А при низких температурах Т<0.43К коэффициент теплопроводности значительно уменьшается, т.е. в кристалле возникают дефекты пластическое течение^ .

5. Определены величина и температурная зависимость дополнительного теплового сопротивления ^ деформированных гелиевых образцов, обусловленного рассеянием фононов на свежевведенных дефектах. Судя по величине и температурной зависимости ^ основную роль играет рассеяние фононов на колеблющихся дислокациях.

6. Исследовала кинетика процессов возврата теплопроводности 'деформированных изгибом кристаллов "%е. Установлено, что подвижность свежевведенных дефектов значительно выше подвижности ростовых или возникающих при тепловом ударе.

7.' Обнаружено,что характерное время релаксации в процессах возврата ^ экспоненциально растет с понижением температуры. Рассчитанные по зависимостям Ъ(т) характерные энергии активации возврата совпали с известными энергиями активации точечных дефектов в образцах одинакового молярного объема, т.е. возврат определяется взаимодействием свежевведенных дислокаций с точечными дефектами.

8. Исследовано влияние пластической деформации на теплопроводность образцов с примесью Не. Изучена кинетика возврата. Установлено, что при концентрации примеси ^0.5% кинетика возврата и температзфные зависимости fr) деформированных кристаллов практически не изменяются по сравнению с чистыми образцами %е, г) т.е. при малых концентрациях °Не свойства свежевведенных дислокаций в чистом %е и в кристалле с примесью одинаковы. Отсюда следует, что определяющую роль в процессах возврата играет взаимодействие дислокаций с вакансиями. По результатам измерений кинетики возврата можно судить об изменениях концентрации вакансий Ytrg с температурой вплоть до 0.45К. В частности, в образцах, выращенных при 31 атм и Т=0.45К = т.е. конто центрация "нулевых" вакансионов в этих образцах менее 2.10

9. Увеличение концентрации примеси до Ъ% привело к уменьшению скорости возврата при высоких температурах отжига и практически не изменило ее при низких температурах. Энергии активации возврата, рассчитанные по зависимостяи в предположении, что Л /ту» в образцах, выращенных при 36-84 атм упали в 2-3 раза по сравнению с чистым %е. Уменьшение скорости возврата в образцах %е+5/з %е и падение эффективной энергии активации можно связать с одновременным уменьшением подвжности п атомов °Не и изменением свойств вакансий и, следовательно, коэшфициента самодиффузии в таких кристаллах. В предположении аддитивности рассеяние фононов на примесях и на дислокациях введение до 5% примеси ^Не в объем %е не изменяет механизма рассеяния фононов на дислокациях.

1. Берман Р. Теплопроводность твердых тел. пер. с англ., Мир, М, 1979

2. Межов-Деглин Л.11. Измерение теплопроводности кристаллического %е. жт, 49, 66-79, 1965

3. Гуржи Р.Н. Гидродинамические эффекты в твердых телах при низких температурах. УВД, 94, 689-718, 1968

4. Андреев А,®. Лифшиц И.М. Квантовая теория дефектов в кристаллах. ЖЗГФ, 56, 2057-2068, 1969

5. Григорьев В.Н, Есельсон Б.Н. Михеев В.А. Шульман Ю.Е. Обнаруже3 4ние квантовой диффузии атомов Не в твердом Не. письма в ЖЭГФ,17, 25-27, 1973

6. Михеев В.А. Михин Н.П. Майданов В.А. Квантовая диффузия в тве-дых растворах изотопов гелия в условиях сильной локализации атомов 3Не. ШНТ, 9, 901-912, 1983

7. Wanner R. Iwasa I. Wales S. Evidence for dislocation in solid hep helium-4 from sound velocity experiments. Sol, State Comm.18, 853-856, 1976

8. Левченко А.А. Межов-Деглин Л.П. Отжиг дефектов в пластически деформированных кристаллах %е. Письма в ЖЭТФ, 37, 173-174,1983

9. Левченко А.А. Межов-Деглин Л.П. Отжиг свежевведенннх дефектов в кристаллах ЖЭГШ, 86, 2I23-2I3I, 1984

10. Левченко А.А Межов-Деглин Л. 11. Теплопроводность совершенных и пластически деформированных кристаллов %е, выращенных в тонком изогнутом капилляре. ЖЭТФ, 82, 278-292, 1982

11. Levchenko A.A. Mezhov-Deglin L.P. Ehonon scattering on dislocations and recovery processes in plastically deformed He crystals. LT-17, Karlsruhe-84, 527-528, 19841.

12. Grilly E.R. Pressure-Volume-Temperature Relation in Liquid r Solid ^He. J. Low Temp. Ehys. 11, 1/2, 33-52, 1973.27. pain S.C. Lazarus D.L. Combined Thermal Conductivity and Z Ray Stady of Hexagonal Close-Packed Helium-4. Phys.Rev. A1, 1460-1467, 1970.

13. Hogan E.M. Guyer R.A. Fairbank H.A. Thermal conductivity of

14. Oriented Single Crystals of Hexagonal Close-Packed Helium-4 Phys. Rev. 185, 356-373, 1969.

15. Berman R. Day C.R. Coulder D.P. Vos J.E. Anisotropic conduction in hep ^He . J.Phys C.Sol.State Phys.6,2119-2132,1973.4TT

16. Голуб А.А. Сватко С.В. Теплопроводность твердого 'Не малой плотности. Ш, 6, S 58-9 67, 1980

17. Wilkinson K,R. Wilks J. The Thermal Conductivity of solid Helium. Proc. Phys. Soc. 64A, H373, 89-91, 1951.32,. Гуржи P.H. 0 теплопроводности диэлектриков и ферродиэлектриков при низких температурах. ЖЭГФ, 46, 719-724, 1964

18. Guyer R.A. Krumhansl I.A. Thermal conductivity,second sound phonon hydrodynamic phenomena in nonmetallic crystals. Phys. Rev. 148, 778-788, 1966.

19. Межов-Деглин Л. 11. Копылов B.H. Медведев Э.С. Вклад различных механизмов релаксации фононов в тепловое сопротивление кристаллической решетки висмута при температурах ниже 2К. ЖЗГФ, 67, II23-II35, 1974

20. Beck Н. Meier P.P. Thellung A. Phonon Hydrodynamic in Solids. IBS, Reseach. September 10, 1973, RZ605.

21. Greenberg A.S. Armstrong G. Low temperature conductivity of bcc ^He. Phys. Rev. B. 20, 1050-1060, 1979.

22. Голуб А.А. Сват ко С.В. Зависимость теплопроводности монокрис1. Г, лталлов ГПУ растворов °Не в Не-от плотности. Анализ механизмов рассеяния-фононов. <ЖГ, 7, 970-976, 1981

23. Berman R. Bounds G.L. Sample H.H. Thermal Conductivity of

24. Solid ^He and of Isotopic mixtures at High Densities. Phys. Rev. Lett. 26A, 185-186, 1968. 4I#Berman R. Brock J.C.P. The effect of isotopes on lattice heat conduction. 1. Lithium fluoride. Pros. Roy. Soc. A289, 46-65, 1965.

25. Callaway j.Model Lattice Thermal Conductivity at Low Temperatures. Phys. Rev. 113, 1046-1051, 1959. 43ф Lawson D.T. Fairbank H.A. Theimal Conductivity and Isotopic1.mpurities in Single Crystals of Helium. J.Low. Temp. Phys. 113/4, 363-394, 1973.

26. Голуб А.А. Сватко С.В. Теплопроводность слабых твердых растворов 3Не в %е малой плотности. ШГ, 6, 957-967, 1980

27. Займан Дж. Электроны и фононы. пер. с англ. ИМ, М., 196246.

28. Anderson А. С. Malinovcki М.Е. Interaction between thermalphonons and dislocation in LiF. Phys.Rev.B5, 3199-3210,21972.

29. Damping. J.Phys. Chem. Sol.3, 1863-1867, 1970.

30. Ninomiya T. Dislocation Vibration and Phonon Scattering.

31. J. Phys. Soc. Japan 25, 830-840, 1968.

32. Nabarro F.R.N. The interaction of screw dislocations and sound waves. Rroc.Roy.Soc A209, 278-280, 1951•

33. Madaraz P.L. Klemens P.G. Phonon scattering by dislocations in metallic alloys. Phys.Rev.B 23, 2553-2562, 1981.

34. Ооновский B.C. Смирнов И.А. Дефекты в кристаллах и теплопроводность. Наука, Л., 1972

35. Гюйе P. Физика квантовых кристаллов. -НЩГТ вып.4, Мир, М. ,1975

36. Кагал Ю. Максшов Л.А. Кзантовая диффузия в нерегулярных кристаллах. ЖЗГФ, 84, 792-810, 1983

37. Михеев В. А. Майданов В. А. Михин Н.11. Обнаружение явления лока3 А.лизации примесей Не в кристаллах "Не. о?НГ, 8, 1000-1004, 1982

38. Кешишев К.0. Движение зарядов в кристаллическом гелии. Дис. канд.физ.-наук, МП АН СССР, М., 1976

39. Ефимов В.Б. Движение зарядов в твердо?' гелии. Дис. канд.физмат. наук, ШТ АН СССР, Черноголовка, 196257. 1шкин В.Б. Подвижность зарядов в жидком, твердом и плотном газообразном гелии. У®Н, 121, 457-497, 1977

40. Granato A. Lucke К. Theory of Mechanical Damping Due to

41. Dislocations . J.Appl. Phys. 27, 583-593, 1956.

42. Iwasa I. Araki K. Suzuki H. Temperature and Prequncy Dependence of the Sound Velocity in hep He Crystals.

43. J. Phys. Soc Japan 46, 1119-1126, 1979.

44. Цымбаленко В.Л. Измерение внутреннего трения в твердом %е.1. ЖЗГй, 74, 1507-1515, 1978

45. Sanders D.J.Kwnm Н. Hikata A. Elbaum С. Plastic Deformationof Free Standing Crysrals of hep He.Phys.Rev.Lett,39,815819, 1977»

46. Suzuki H. Plastic Plow in hep He. 2. J. Phys. Soc, Japan 42, 1865-1872, 1977.

47. Sakai A. Hishioka Y. Suzuki H. Plastic Plow in bcc He. J. Phys. Soc. Japan 46, 881-888, 1979,

48. Цымбаленко В.Л. 0 пластическом течении кристаллического %е. Письма в ЖШ, 23 , 709-712, 1976

49. Петухов Б.В. Покровский В.Л. Квантовое и классическое движение дислокаций' в потенциальном рельефе Пайерлса. Л(ЭГ®, 63, бс'4-647, 1972-11366, Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. Мир, М., 1972

50. Еольшуткин,Д.Н. Кулик Н.Ф. Леонтьева А.В. Марков А.В. Строилов 10.С. Пла.стическая деформация отвердевших газов. Физика низкихтемператур, вып. XIX, 9-36, 1972

51. Иванов В.И. Осипов К.А. Возврат и рекристаллизация е металлах при быстром нагреве. Наука, М,, 196469, Kuhlman D. On the theory of plastic deformation.

52. Proc. Phys. Soc. A64, 140-155, 1951.70, Коттрелл A,X. Дислокации и пластическое течение в кристаллах,пер. с алгл. Кеталлургиздат, М., 1958

53. Mott N.P. The Mecanical Properties of Metals. Proc. Phys. Soc.1. B64, 729-741, 1951.

54. Ван Бюрен . Дефекты в кристаллах. НИЛ, М., 1962

55. Tsuruoka P. Hiki У. Ultrasonic attenuation and dislocationdamping in helium crystals. Phys.Rev.B20,2702-2720, 1979.

56. Гуденко А.В. Цымбаленко В.Л. Изучение влияния пластическойдеформации на движение зарядов в твердом %е. ЖЭГС>, 76, 13991412, 1979

57. Левченко А.А. Межов-Деглин Л.П. Струнний вискозиметр для работы с твердым гелием. Материалы Всесоюзного совещания по физике низких температур. Харьков 80, ч,4 77-78,

58. Ткаченко В,К. Филимонов А.И. Газификатор для получения давления до 100 атм с покоишо жидкого гелия. 111'Э, 5, 203-204,1961

59. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. Наука:, М. ,1982

60. Межов-Деглин Л. 11. Прибор для получения чистого %е. 1JT3, 3, 217-218, 19 71

61. J. bow Temp. Phys. 16, N 1/2, 131-143, 1974.

62. Berman R. Bounds C.L, Rogers S.J, The effect of isotopes on lattice heat conductivity. 2. Solid Helium. Eroc. Roy. Soc. A289, 66-80, 1965.

63. Есельсон Б.Н. Михеев В.А. Григорьев В.Н. Михин Н.П. Квантовая диффузия примесонов в твердой %е. ШГФ, 74, 2311-2319, 1978

64. Гельперин Н.И. Носов Г.А. Основы техники кристаллизации расплавов. Химия, М., 1975

65. Ыежов-Деглин JI.1I. Влияние размеров на теплопроводность образцов кристаллического 4Не. ЖЭГФ, 52, 866-870, 1967

66. Голуб А. А. Сват ко С.В. О влиянии термоударов на теплопроводность ГНУ 4Не. шНГ, 7, 413-418, 1981

67. Iwasa I. Suzuki Н. Sound velocity and attenuation in hep

68. He crystals containing He impurities. J. Phys. Soc.Japan49, 1722-1730, 1980.

69. Ефимов В.Б. Межов-Деглин Л.П. Особенности движения зарядов" jв твердом гелии. ФНТ, 4, 857-866, 1978.

70. Beamish J.R. Rranck J.P. Sound propagation at frequncies from 3 to 21 MHz in hep and bcc He and its interaction with dislocations. Phys. Rev В 26, 6104-6113, 1982.

71. SO. Praas B.A. Heald S.M. Simmons R.O. Theiraal Vacancies in solid Helium. Proc. of International Quantum crystals Conference. Colorado, С 73-77, 1977.