Самоохлаждение слабых растворов Не3 в Не4 при адиабатическом плавлении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ им. П.Л.КАПИЦЫ

На правах рукописи

8 ОД

СЕБЕДАШ Александр Петрович

Самоохлаждение слабых растворов Не3 в Не4 при адиабатическом плавлении

Специальность 01.04.09 — физика низких температур и криогенная техника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1998

Работа выполнена в Институте Физических проблем

имени П. Л. Капицы Р^

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

К.Н.Зиновье

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

С. В. Иорданей кандидат физико-математических наук

В. Л.Цымбалеш

Ведущая организация: Институт Физики Твердого Тела РАН

(Черноголовю

Защита состоится <Х>С Н-)_ 1998 г. в 10 часов

на заседании Специализированного Ученого Совета Д 003.04.01

при Институте Физических Проблем им. П. Л. Капицы РАН по адресу:

Москва. 117334, ул.Косыгина, д.2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Физических Проблем имени П. Л. Капицы РАН.

Автореферат разослан

ММ_1998 г.

Ученый секретарь Совета, доктор физико-математических наук профессор

Л. А/Прозорова

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы.

В физике низких температур особый интерес вызывают фазовые пе-ходы в жидкостях, когда вещество, проявляющее "нормальные" свой-ва выше температуры перехода, вдруг демонстрирует "сверхнеобыч-ге" свойства при охлаждении. Яркими примерами такого поведения явля-гся сверхтекучие переходы в Не3 и в Не4 [1,2]. Жидкий раствор Не3 в Не4, затвердевающий до абсолютного нуля и обладающий отличной от ну-растворимостью Не3 в Не4, содержит в себе уникальную возможность ать раствором двух сверхтекучих компонент при достаточном охлажде-и.

Основы теории растворов были заложены в работах Ландау и Померан-ка [3,4]. Оценки температуры сверхтекучего перехода впервые даны в ботах [5,6]. Такой переход до сих пор не наблюдался вплоть до темпера-ры 100/гК [7,8]. Основная техническая трудность при охлаждении рас-оров связана с огромным тепловым сопротивлением на границе раздела створа и металла теплообменников (так называемый "скачок Капицы"), ¡этому становятся актуальны методы охлаждения растворов, в которых ачок Капицы не играет принципиальной роли.

В данной работе исследуются возможности одного из таких методов, нованного на использовании внутреннего холодосодержания самого рас-ора.

Возможность охлаждения при адиабатическом плавлении, которая была едсказана в [9,10], связана с устройством фазовой диаграммы кристалл-1дкость растворов Не3 в Не4. Хотя фазовые диаграммы растворов Не3-:4 интенсивно исследовались [11,12,13], до сих пор метод адиабатического авления не получил существенного развития из-за значительных техни-

ческих трудностей. Это, прежде всего, связано с тем, что кривые кр1 сталлизации растворов имеют глубокие минимумы и поэтому для кpиcтaJ лизации при температурах ниже минимума необходимо было применят специальные камеры, снабженные гибкими элементами (так называемы камеры Померанчука). Попытки осуществить адиабатическое плавлени в камере Померанчука не привели к успеху [13]. Это связано со второ особенностью метода адиабатического плавления. В исходном состояни почти весь объем экспериментальной камеры (90-95%) должен быть зг ачт кристаллом. Поэтому изменение объема камеры на 10%, необходимо для полного расплавления кристалла, неизбежно приводит к значительно диссипации из-за трения кристаллов и их пластической деформации.

Это определило цель работы, которая состояла в:

1. В разработке новой методики роста и плавления кристаллов из рас творов при температурах ниже температуры минимума на кривых начал кристаллизации в камере с "неизменяемой" геометрией.

2. Используя эту методику, получить значительное охлаждение раство ров и изучить самоохлаждение растворов в зависимости от концентрации скорости плавления, начальной температуры и теплоподвода.

3. Изучить условия роста кристалла из растворов при температура: ниже 0,2К;

4. Разработать рекомендации по конструированию экспериментально] камеры и по методике проведения адиабатического плавления при сверх низких температурах.

Научная новизна.

В диссертации разработан новый метод, позволяющий изменять давле ние в камере, а также транспортировать в камеру и из нее значительно« количество жидкости, при температурах, когда обычная линия наиолненю

леры блокирована твердой пробкой. Этот метод имеет принципиальное гимущество перед камерами Померанчука, состоящее в том, что экспе-ментальная камера не имеет гибких элементов. Это полностью устра-;т возможность диссипации за счет изменения геометрии при больших тенях заполнения камеры кристаллом. Используя этот метод, впервые ло получено значительное охлаждение растворов (в 1,5-7-2,5 раза) при лабатическом плавлении. Для раствора с концентрацией 9,6% было полую удовлетворительное согласие с теоретическими значениями степеней 1аждения. Впервые был исследован вопрос об условиях роста кристалла и низких температурах (Т < 0,2К) и концентрациях вплоть до кривой хлоения.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Разработан новый метод охлаждения слабых растворов.

2. Измерена степень охлаждения при адиабатическом плавлении в зави-мости от концентрации раствора и скорости плавления.

3. Получено удовлетворительное согласие измерений степени охлажде-я для раствора 9,6% с теоретической степенью охлаждения при учете аразитной" теплоемкости незакристаллизовавшегося раствора.

4. Установлено, что при температурах ниже 0,2К кристалл начинает сти в местах, где более высокая температура.

Апробация работы.

Основные результаты, полученные в диссертации, были доложены на минарах в ИФП РАН и в ФИ РАН.

Практическое значение результатов.

В диссертации разработан новый метод охлаждения растворов, кото-

рый может быть использован при сверхнизких температурах. Измерен* давления раствора, который находится в равновесии с кристаллом и тп стым Не3 (на тройной линии) может быть использовано для термометра при сверхнизких температурах. Энтропийная диаграмма слабых раствс ров также может быть использована для термометрии при использовани адиабатического плавления для понижения температуры.

Содержание диссертации.

Во введении обсуждается актуальность выбранной темы, обосиовыва ется цель работы, проводится обзор результатов других исследований н момент начала данной работы и дано краткое содержание диссертации и главам.

В 1-й главе — рассматривается устройство фазовой диаграммы раствс ров Не3 в Не4 при температурах ниже 0,5К и давлениях выше минимум давления на кривых кристаллизации.

Для успешного использования метода адиабатического плавления наи более существенной особенностью фазовой диаграммы является тот факт что концентрация Не3 в твердой фале ха быстро стремится к нулю пр] понижении температуры. В работе [14] были обнаружены максимумы н. кривых кристаллизации слабых растворов. При температурах ниже 0,31 кривые кристаллизации имеют положительный наклон вплоть до само! низкой температуры, при которой проводились измерения ЗОтК). Эт< свидетельствует о том, что энтропия твердой фазы существенно меньнк энтропии раствора.

В работе [15] на основании теории слабых растворов Ландау - Померан чука вычислены фазовые диаграммы ниже температуры 0,5К и получеш хорошее согласие с данными измерений [14]. На этом основании можнс сделать вывод, что концентрация Не3 в твердом Не4 при Т < 0,1К прене

>ежимо мала.

Обсуждается вопрос об условиях начала роста кристалла в градиенте мпературы. Показано, что в первом приближении, при разложении хи-

"хССКПХ ПОТСИЦийЛОБ ТиСрДОИ II ЖИДКОИ фаЗ ПО ОТКЛОНСНИЮ ОТ Дс1&ЛС1и1л

шстадлизации чистого Не4, условие постоянства химического потенциа-. жидкого Не4 везде в камере (/¿j = const) приводит к тому, что давление ьчала кристаллизации в камере не зависит от температуры, т. е. кристалл жет начать расти как в холодном, так и в теплом местах камеры. Учет едующих членов разложения химических потенциалов по давлению при-|дит к выводу, что кристаллу выгоднее начать расти при более высокой :мпературе.

Дано описание принципа использования сверхтекучего фильтра для эанспортировки жидкого Hell в низкотемпературную камеру с неизме-[емой геометрией. При температурах Т < Тт и давлениях Р > Рт, где „и Рт — температура и давление минимума на кривых кристаллизации, шчная линия наполнения зарастает твердой пробкой. Известно, что в •рашпешюй геометрии (в порах мелкого порошка) давление начала кри-галлизации Не4 значительно возрастает. Для пор порядка \ц сдвиг давле-w кристаллизации составляет АР ~ 2 Ч- 3 атм. [16]. Это свойство Не4 гервые использовано в данной работе для кристаллизации и плавления 1створов, находящихся при низкой температуре.

В главе 2 проведены оценки степени охлаждения при адиабатическом тавлмши. Степень охлаждения 1], определяемая как отношение начальной змпературы системы Тц к конечной температуре , равна: rj = Тц/Тк = i/Tf(x), где Гз — температура Ферми чистого Не3, а Тр(х) — температу-1 Ферми раствора концентрации х. На основании экстраполяции необхо-;шых параметров к давлению 25,5 атм. проводится вычисление темпера-ур Ферми растворов различных концентраций и теоретических степеней

охлаждения т]. Выводятся уравнения теплового баланса при наличии т плоподвода и соотношения для количества кристаллической и жидкой ф в камере в процессе плавления. Холодопроизводительность процесса пл вления при образовании насыщенного раствора концентрации хо равна:

= • т ■ Т ■ [Бр - 53), 1'* • п

П\ — -г-;-г.

{VI - - х0 ■ {Vз - и,)' где Хо — концентрация насыщенного раствора, п — скорость отвода Н< через сверхтекучий фильтр щ — молярная скорость образования раствор. Бу и — энтропии (на моль Не3) раствора и чистого Не3 соответствен» При х < хо (при образовании ненасыщенного раствора)

\¥(х) « \ ■ х - щ ■ Эр ■ Г,

О

Уз

гц — — •-— ■ п,

VI - и«

где г^, VI и «з — молярные объемы твердого Не4, раствора и чистого Н( соответственно.

В главе 3 описана установка, на которой проводились эксперименты п адиабатическому плавлению. Дано описание работы криостата растворс ния, в двух режимах. В первом режиме гелиевая ванна откачивалась д Т ~ 1,5К, что было необходимо, чтобы обеспечить конденсацию обратног потока Не3. При этом криостат растворения в непрерывном режиме дава температуру 16тК при циркуляции 80/шоль/с. Необходимость подливк: гелия ограничивала интервал непрерывной работы до 15 часов. Во втор о: режиме в качестве градусной камеры использовалась специально изгото вленная камера, а основная гелиевая ванна находилась при Т = 4,2К. I этом режиме криостат давал предельную температуру ЗОтК. При этог время измерений могло быть неограниченным, так как при заливке основ ной ванны камера растворения не отогревалась.

Дано описание устройства сверхтекучего фильтра. В качестве порошка ! фильтре использовался субмикронный порошок Fe-^Oj (крокус). Уплот-тение порошка проводилось протягиванием капилляра с порошком через эильеры. В специальных экспериментах проверялось, что в сверхтекучем эильтре по крайней мере до давления 28 атм. не образуется твердая проб-га. Рабочее давление было порядка 24 4- 26 атм. Давление в измерительной :амере, сделанной из стайкаста, можно было менять от внешнего источ-шка давления через сверхтекучий фильтр. Тепловой контакт свсрхтеку-[его фильтра осуществлялся по специальной методике (без использования шгких припоев) на всех температурных уровнях криостата растворения. )бъем экспериментальной камеры был 3,2 ± 0,1см3.

В камере находился теплообменник из спеченного серебряного субми-:ронного порошка площадью порядка 1 м2. Тепловой контакт на камеру >астворения осуществлялся через медный хладопровод и тепловой сверх-[роводящий ключ. В первых экспериментах ключ был сделан из кадмия, I последующем использовались тонкие оловянные проволочки d ~ О, 1 мм RRR = 104). Температура измерялась с помощью угольного сопротивле-шя "Matsushita" (номиналом 80 Ом) и специального термометра, пред-тавлявшего из себя таблетку 5х5хо мм3 из спрессованного порошка (ерий-магниевого нитрата. Температура определялась по восприимчиво-ти ЦМН. Чувствительность термометра CMN dT/df = 0,5шК/Гц при п = 0,1К. Давление в камере измерялось емкостным датчиком давления пециальной конструкции. Чувствительность датчика давления dP/df = 1 • 10~4 атм/Гц.

Дано описание системы экспериментальной смеси и системы высокого давления. Концентрация смеси в камере при низкой температуре вычи-лялась по количеству молей чистого Не3, сконденсированного в камеру, ю известным объемам камеры, датчика давления и теплообменника на

камере растворения, с использованием данных о молярных объемах [17].

В главе 4 дано описание методики выращивания кристалла в экспери ментальной камере. Рост кристалла контролировался по датчику давления Было установлено, что кристалл начинает расти в месте с более высокоз температурой. Такое поведение наблюдалось как для низких, так и дл; высоких концентраций раствора. Это подтвердилось в специальных экспериментах, в которых участок капилляра наполнения между датчиком да вления, (который находился на камере растворения) и экспериментально! камерой специально перегревался до температуры 0,15К. При температу ре камеры выше 0,15К кристалл начинал расти в камере. Если темпера тура камеры была ниже 0,15К, датчик давления отсекался от камеры, та* как в перегретом участке капилляра образовывалась пробка.

В специальных экспериментах проверялась возможность использование давления кристаллизации чистого Не4, которое при низких температура* практически не зависит от температуры, как репернои точки по давлению

Рост кристалла всегда сопровождался значительным повышением температуры раствора. Вырастить кристалл при постоянной температуре раствора не удавалось даже при малых скоростях подачи вещества в камеру. Сравнительно небольшая разность температур между двумя термометрами, один из которых находился в центре камеры (угольный), а другой (ЦМН) — вверху камеры на расстоянии порядка 1,5 см от первого, указывает на то, что наблюдаемый сильный перегрев раствора при росте кристалла нельзя объяснить теплосопротивлением самой жидкости. Общее теплосопротивление между раствором в экспериментальной камере и жидкостью в камере растворения, которое измерялось в отдельных экспериментах, также не может оправдать значительное повышение температуры. Этот перегрев можно объяснить тем, что образующийся в нижних частях камеры (там, где находились теплообменники) кристалл плохо проводил

пдо и изолировал теплообменники от остальной части жидкости. При росте кристалла из насыщенного раствора всегда наблюдалось, что льшую часть времени угольный термометр имел более высокую темпе-.туру, чем термометр ЦМН, т. е. выделение тепла происходило в центре меры, там, где рос кристалл, а не наверху, где была основная граница Осло с I и 'я между раствором и чистым Не3. Поскольку тепло должно вы-ляться там, где происходит выпадение из раствора чистого Не3, можно ключить. что в процессе роста кристалла капли жидкого Не3 образовались непосредственно там, где рос кристалл, и потом уже всплывали шерх к основной граниие между двумя жидкостями. Выяснение вопроса величинах градиентов температуры в камере при росте кристалла за->удняе.тся полным отсутствием измерений теплопроводности растворов ж высоких давлениях.

Глава 5 посвящена экспериментам по адиабатическому плавлению. При эстижешш необходимой стартовой температуры тепловой контакт экс-фиментальной камеры на камеру растворения размыкался с помощью ¡ерхпроводящего теплового ключа. Плавление кристалла осуществлялось энижением давления в линии сверхтекучего фильтра с помощью вентиля энкой регулировки, находящегося при комнатной температуре. Скорости давления кристалла могли изменяться от 60 до 1000/шоль/с. Сбрасывае-ый через вентиль Не4 собирался в калиброванном баллоне. Давление в нем змерялось ртутным манометром. Таким образом, определялась скорость давления и количество кристалла, которое было в камере перед началом роцесса. В специальных экспериментах было установлено, что сброс Не4 ерез сверхтекучий фильтр (в отсутствие кристалла в камере) при скоро-тях, в несколько раз превышающих рабочие, не приводил к какой-либо аметной диссипации в камере. Было проведено три серии экспериментов. В первой серии исследовались

растворы концентраций 2% и 7%. Типичные кривые охлаждения раствс ров в этой серии показаны на рис. 1. Стрелки указывают момент начал, сброса, момент схода с тройной линии (полное растворение чистого Не3) ] момент прекращения сброса давления. Видно, что охлаждение примерно : два раза, после расплавления всего кристалла, сразу сменяется отогревом Это объяснялось неудовлетворительной работой теплового ключа. Изме нение скорости плавления на порядок в тех же самых условиях привело I небольшому (от 1,9 до 1,6) снижению степени охлаждения (рис. 1,6) Дл; растворов 7% картина была аналогичной. Охлаждение в 1,5 раза сменя лось сразу же отогревом, и степень охлаждения не зависела от скорос.'п плавления.

Рис. 1. Зависимость температуры от времени при адиабатическом плавлении с концентрацией 2 %: а) Ъ = 95 мК, б) Т{ = 100 мК

Во второй серии экспериментов исследовался раствор концентрации 1,6%. При стартовой температуре ЮОтК была получена степень охлаждения т/ — 2,2. При этом за первые 30 сек, пока в камере присутствовал чистый Не3, степень охлаждения была 1,4, что приближается к теоретической степени охлаждения 1,6 для такого количества незакристаллизовав-шегося раствора в начальный момент. Несоответствие можно объяснить градиентами температуры в камере. Следует отметить, что при этих тем-

ратурах (порядка ЮОтК), раствор практически не отогревался после »стижения конечной температуры, в отличие от первой серии измерений, жим образом, пока раствор находился на тройной линии, степень охла-дения удовлетворительно соответствовала теоретической. Степень охла-дения при изменении концентрации раствора от 8,3% до 1,6% (равная = 1,5) сильно отличалась от теоретической (т] = 2,9 ). Такой же эффект [лышго уменьшения степени охлаждения в двухфазной области наблю-¡лся и в других попытках. Более того, при температурах ниже 50тК, ьствор отогревался выше начальной температуры. Это, по-видимому, свя-1но с теплоподводом по линии наполнения камеры.

В третьей серии измерений, которая проводилась с раствором концен-эации 9,6% были получены степени охлаждения вполне соответствую-ие теоретическим степеням охлаждения при учете влияние паразитной зплоемкости незакристаллизовавшегося раствора. На рис. 2 изображена шисимость температуры (ЦМН) в камере от времени для охлаждения ри стартовой температуре 64тК за время 12 мин. Видно, что после рез-эго охлаждения (минимальная температура термометра ЦМН — 1бгаК) роисходит быстрый отогрев с постоянной времени 1,5 мин (участок от 400 до 1800 сек), после чего температура стабилизируется и продолжа-г медленно расти из-за сравнительно небольшого теплоподвода в камеру 3 ~ 200 нВт). Также на рисунке изображена теоретическая кривая (2), ассчитанная в предположении, что 0,30 см3 раствора в камере не закри-галлизовались (это соответствует объему пор в серебряном спеченном еплообменнике). Полученная, при таких предположениях, теоретическая гепень охлаждения равна 7/ = 2,5. Экспериментальная степень охлажде-ия с учетом теплоподвода равна 2,0. Таким образом, для насыщенного аствора полученные степени охлаждения соответствуют теоретическим, [еболыпое различие можно объяснить наличием градиентов температуры

в камере во время плавления. 70

V:

е

05 О.

е

ш

1000 1500 "Пте. зес.

2500

Рис. 2. Кривая 1 — зависимость температуры (ДМН) от времени при адиабатическое шгалдеЕцш раствора с концентрацией 9, б %, г = 12 мин; 2 — теоретическая зависимости температуры, рассчитанная в предположении, что 0.3см3 раствора незакристаллизовано; 3 — теоретическая кривая отогрева раствора при тешюиодводе ф ~ 200 нВт; 4 — экстраполяция кривой отогрева раствора к моменту окончания плавления (для определения конечной температуры процесса плавления)

В приложении 1 рассмотрены возможности применения метода адиабатического плавления при сверхнизких температурах. Для насыщенного раствора при Т = 0,1тК холодопроизводительность процесса равна ги — 100 пикоВатт при скорости растворения Не3 пз ~ 100^моль/с. Вязкостные потери по крайней мере на порядок меньше.

Проведено сравнение данного метода охлаждения с термодинамически аналогичным методом охлаждения при растворении Не3 в сверхтекучем

е4, добавляемом в камеру через сверхтекучий фильтр [18] при нулевом тлении.

Выводы.

1. Разработана методика, позволяющая осуществлять адиабатическое давление растворов в камере с неизменяемой геометрией при температу-ах ниже минимума на кривых кристаллизации растворов.

2. Получено значительное охлаждение (1, б-г 2,2 раза) растворов низких онцентраций (1,6% и 2%) в интервале температур от 40 -г 170тК.

3. Для насыщенного раствора (г ~ 8,3%) получены степени охлаждения орядка 2 (при теоретической — 2,5).

4. Установлено, что одним из источников, понижающим степень охлаждения растворов, является паразитная теплоемкость раствора, находяще-ося в порах теплообменников.

5. Установлено, что при низких температурах (Т < 0,2К) кристалл на-инает образовываться в теплых местах камеры.

6. Показано, что, используя сверхтекучий фильтр, можно измерять дарение в камере, находящейся при сверхнизкой температуре, манометром [ри комнатной температуре.

7. Проведены оценки различных источников диссипации и даны реко-(ендации по проведению адиабатического плавления при сверхнизких тем-гературах.

Литература

[1] П.Л.Капица, ДАН СССР 18, 28 (1937).

[2] D.M.Lee,R.С.Richardson,D.D.Osheroff, Phys. Rev. Lett. 28,885(1972).

[3] А.Д.Ландау, И.Я.Померанчук, ДАН СССР 59, 669 (1948).

[4] И.Я. Померанчук, ЖЭТФ 19, 42 (1949).

[5] J.M.J, van Leeuwen, E.G.D.Cohen, LT-8, London 1962 (Butterwo 1963), p. 43.

[6] J.Bardeen, G.Baym and D. Pines, Phys. Rev. 156, 207 (1967).

[7] R. König, A.Betat, and F.Pobell, JLTP 97, 311 (1994).

[8] G.-H.Oli, Y. Ishimoto, T.Kawae et al., JLTP 95, 525 (1994).

[9] A.S.Grcenberg, B.Hebral, M.Papoular et al., J. de Physiquae 41, С 79 (1980).

[10] В.Castaing, A.S.Greenberg, aiul M.Papoular, JLTP 47. 191 (1982)

[11] P.M.Tedrow and D.M.Lee, Phys. Rev. 181, 399 (1969).

[12] В. Л. Введенский, Письма в ЖЭТФ 24, 152 (1976) [JETP Lett. 133 (1976)].

[13] В. van den Brandt, W.Griffioen, G. Frossati et al., Physica 114B, : (1982).

[14] Ю. Д. Ануфриев, В. H. Лопатик, А. П. Себедаш, Письма в ЖЭТФ 38 (1983) [Sov. Phys. JETP Lett. 37, 45 (1983)]. В.H. Лопатик, ЖЭТФ 487 (1984) [Sov. Phys. JETP 59, 284 (1984)]

[15] D.O.Edwards and S.Balibar, Phys. Rev. В 39, 4083 (1989).

[16] E.N.Smith, D.F.Brewer, J.D.Reppy et al., Physica 107B, 585 (198

[17] В. H. Есельсоя В. Г.Иванцов В. А. Коваль и др., Свойства жиды и твердого гелия: Растворы Не3 - Не4 Киев: Наук.думка, 1982.

[18] А.P.Voncken and А.Т. A.M. de Waele, JLTP 100, 463 (1995).

Публикации по теме диссертации.

1. Ю. Д. Ануфриев, В. Н. Лопатик, А. П. Себедаш, Письма в ЖЭТФ . 38 (1983).

2. А. П. Себедаш, Письма в ЖЭТФ, 65, 263 (1997).

Подписано в печать 21 мая ■ 1998 года. Формат 60x84/16. Заказ № J26. ■ Тираж60. экз. П.л.х^, Отпечатано в РИИС ФИАН. Москва, В-333, Ленинский проспект, 53. " Тел.: 132 51 28,132 61 37, 132 68 39 ,132 62 98.