Тепловые свойства металлов под давлением при низких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

российская академия наук

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗШЕНГ ИНСТИТУТ ФИЗШШ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ ШЕЕЙ Л.Ф.ВЕРЕЩАГИНА

Т Г Б ОД---

2 7 ОПТ 1998

На правах рукописи

В.Ф.ШИДЕЙОВ

ГЕППОШЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ ПОД ДАВЛЕНИЕМ БРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ.

Специальность 01.04.07 - фжзика твердого тэла

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-иатемагачэских наук

Троицк- 1998 г.

Работа выполнена в Институте физики высоких: давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН

Неучаый руховодагаль: доктор физшго-магематическжх наук,

профессор Е.С.Ицкевич

Офациальныга ошюненты: доктор физико-математических наук

С.В.Погова

каддддат физико-иатематжчэ скит наук Б.С.Думеш

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации Троицкого института иновационных и тергюядерньп исследований ( Т Р И Н И Т И )

Защита состоится Щ" юаа г. в М час.

не заседании Ученого совета Института фазикн высоких давления РАН по адресу: 142002, г. Троицк, Московская обл., МВД РАН.

С диссертацией моего ознакомиться в библиотеке Института физики высоких давлений РАН.

Автореферат разослан "¿3 " ювз г.

Ученый секретарь Диссертационного совета ИЗВД к.ф.- м.н. ^ии^у - М.В.Магницкая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. С прогрессом экспериментальной техники

изучение веществ в экстремальны! условиях все настойчивее ставятся в повестку дня. Высокие давления и низкие температуры позволяют глубяе заглянуть в структуру тверди тел , особенно их электронных спектров. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическими расчетами позволяет судить о правильности наших представлений и теоретических посылок. Большой прогресс в области высоких давлений удалось достичь при изучении фазовых превращений, оптических, электрических и магнитных явлений. Успехи в исследовании тепловых свойств гораздо скромнев. Лишь в условиях квазнгидростатики и комнатных температур удалось достичь давлений порядка юо кбар. Область яв низких температур, наиболее благоприятная для изучения электронной плотности состояний металлов, сверхпроводимости и многих других электронных свойств, для тепловых методов под давлением оказывается трудно доступной ввиду отсутствия надежных методов измерения. Поэтому создашэ новых методик, основанных на новых идеях, позволяющих исключить влияние передавшей давление среды, и получение с их помощью данных по теплопроводности, теплоемкости и термоодс металлов, является весьма актуальным.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ :1) создание методик для измерения в условиях

гидростатического сжатия и низких температур тешгофнзических параметров металлов: термоэдс, теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности; а) исследование зависимости вышеупомянутых параметров от давления; з) изучение поведения термоэдс вблизи влектронзого топологического перехода (ЭТИ), вызванного приложением давления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ : 1) создана методика и исследована

термюэдс са в широком диапазоне температур г * зоо к под

давлением до эо кбар ж подтверждено существование ЭТП при р= 1 кбар; а) создана новая методика измерения теплоемкости металлов вод давлением методом ас -калоримэтрш в измерена зависимость от давления скачка теплоемкости в эп при сверхпроводящем переходе ; з) создана методика для измерения под давлением при низких температурах теплоемкости с и твшвратуропроводиосги металлов а на основе аатугащюс температурных волн (ТВ) и измерена зависимость этих параметров от давления в №. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Создана аэвда метода

исследования твшювыг свойств металлов под давлением при низких температурах. Информация о теплоемкости, теплопроводности, термоадс металлов в области низких температур исивет быть использована при создании криогенной аппаратуры , применяемой как в научных исследованиях, так я в отдельных отраслях промышленности.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩВДШИЕ ПОЛОХЕНИЯ :

1. Термоэдс термопары (аи + Ге)- си в области гелиевых температур под давлением до ю кбар изменяется менее,чем на гя а. Тержэдс са при р = 1Б+17 кбар обнаруяивает аномалию, связанную с возникновением ЭТП.

3. Метод продольного теплового потока применим для измерения теплопроводности металлов при низких температурах а под гидростатическим давлением (на примере рь),

4. Для металлов с высокой температуропроводаостью для измерения теплоемкости под давлением при низких температурах приманим метод ас-каяориметрии с учетом потерь в среду измерением сдвига фазы температуры т образца (на примере а»). 8. Для металлов с умеренной температуропроводностью (поликристаллы) для измерения с и а под давлением в области низких температур предлагается метод ТВ с малым влиянием окружающей образец среды на результаты измерений (на примере N1).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на : v -й

Международной конференции по физике и технике высоких давлений, Иосква, íevs г. ;

iv-и Международном симпозиум» "Мацщны и технологические процессы обработки металлов высоким давлением Братислава, 1q78 г.; XI-й Международной конференции ai нарт по исследованиям и технологии под высоким давлением, Киев ,iesa г. ПУБЛИКАЦИИ. Результаты работы представлены в 9 опубликованных

статьях и тезисах 3-х конференций. Получен I патент. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из

введения, Б глав и заключения (выводов). В ней содержатся 234 стр. включая 89 рисунков и 18 таблиц. Список литературы содержит IS2 наименований работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вве д 8ни и речь идет о вакности тешюфазигаеских

исследоваинй, о трудностях и способах их преодоления,

вознгащях при приложении к измеряемым объектам

гидростатического давления.

1-ая ^ глава посвящена обзору теорий электронно

-топологических переходов (ЭТП), возникающим в твердом теле под воздействием анизотропной деформации, гидростатического давления или сплавлении с другими веществами.

Как впервые показал И.М.Лифшиц при достижении анергией Фэрш Ер критического значения ек электронный термодинамический потенциал о испытывает сильную аномалии и появлявшийся добавочный член при т=о имеет вид <ьо0- 2 где величина г = ер- ек- параметр близости к ЭТП. Аномалии плотности состояний n (е ) вызывают и аномалии связанных с ней термодинамических параметров. Вторые производные от <5о по и

при «=о имеют особенности типа г1 (электронные теплоемкость я сжимаемость), третьи производные - тала г-1''2 (электронные термический коеффвцгвнт давления я тепловогс расширения). Однако, в реальных веществах вследствие наличия рассеяния носителей заряда и конечной температуры чистые аномалии типа г1^3 или г-1^ та наблвдаюгся. Влияние конечного времени релаксации электронов на разжтие

особенностей при ЭТП изучалось Кривоглазом и Тю Хао. Барьяхтар, Ганн и Макаров учли и роль температуры. Кинетические коэффициенты, такие как теплопроводность, электропроводность, термоэдс, вязкость «поглощвнив авука, связаны как с осоОенностяш псе), так и с особенностям дшамикя алэктрона на критической поверхности. На особу] чувствительдасггь к ЭТО термоэдс впервые обратили вшшан® Вакс, Трефидов и Фокичев. Согласно' их расчетам аншадш диффузионной термоэдо 15® ЭТИ изменяется как (± г)_1/3, э то время как тешюпроводшсть «, влктропроводаость о, фононна! термоэдс тают особенность типа (± г)1-/а. Варламов и Паяцулая исследовали поведение да{фузвсшно1 тершэдс «4(г,г) в окрестности ЭТИ с учетом рассеяни электронов на точечных дефектах (примесях) и темпвратурног размытия . Был рассмотрен переход а ь/ъ рода тшю "разры перемычки ": образование из однодалостгого гиперболоид вращения (г>о) двугшлосгного (г<о). Рассмотрены да предельных случая.

1) В случае -чистого " металла (т » т~1) при приближена к переходу со стороны отрицательных л з - т возрастает ка |2При г>о термоэдс сначала убивает как ехр(-г/г), затем по закону г"'3"'2, а) В случае "грязного " металла (т г-1« Ео) аномалия « вблизи перехода остается, но происхода утирание пика и более плавный спад термоэдс. Варламов Панцулая рассмотрели также ЭТП , связавший с зароздение (исчезновением) вблизи протяженной Ферми-поверхности малс полости. Дня было получено аналитическое выражение очв!

близкое к подобному выражению для случая "разрыв перемычки

Абрикосов и Павдулая рассмотрели влияние на. термоэдс в области ЭТО рассеяния I электронов на фононах и увлечения электронов фононами. Они нашли, что фононная термовдс ад но содержит особенности. Однако, учтя анизотропии рассекяш электронов на примеси , Суслов получил для <*д вблизи ЗТП тдпа "разрыв перемычки " особенность вила : ад= а + ь^ 1г»|2|. Влияние алектрон-фононного рассеяния на вид особенности при ЭТП рассматривался Завврицким, Конелиовичем, Макаровым я Юргенсом.

2-ая глава посвщэяа обзору экспериментальных работ, в

которых ЭТП изучался методом термоэдс. Внешние воздействия, вызывавдие ЭТП в твердом теле, были разделены на 3 класса: 1) сплавление, г) анизотропная деформация, и з) гидростатическое сжатие.

1). При изменении в сплвнх концентрации одной из компонент можат происходить увеличение числа валентных электронов и тем самым объема Ш без изменения кристаллической структуры

(сплавы Ы-Мд. Мэ-Ке), ДИбО ИЗМ8Н0НИЭ ТОЛЬКО ШИНОТрОПИИ

решетки (сплавы са-мдэ. В работе Егорова и Федорова исследовалась зависимость термоэдс сплава ид х от х

при т =4.г, 78 и зоо к. Особенность в термоэдс набладалась при х = о. г, что объяснялось касанием Ш граней ЗБ. Велнкодный, Заварицкий и др. исследовали ЗТП в сплавах при изменении * от о до о. з. Большая аномалия термоэдс была обнаружена при х=о.и, что связывалось с рождением новой электронной полости:.

2). Для наблюдения ЭШ типа "образование (исчезновение) полости Ш " методом анизотропной деформации (одноосное сжатие, растяжение или их комбинация) Брандт, Егоров и др. использовали монокристаллы В1 и сплавов ва 1 _х гьх (х -о. о, легированные донорннми и акцепторными примесями. Эти ЗТП хорошо наблщдались при гелиевых температурах и наденно

фйксяроаэлнсь по термоэдс и по изменению периода квантовых осцшшщий ШубниЕов8-де Гааза.

Киракозова, Лавренш и др. наблюдали на монокристалле Аз при деформации вдоль оси с3 и гидростатическом сжатии до б кбар два ЭТО: 1) разрыв г- перемычек и 2) исчезновение обособившейся центральной дырочной полости ПФ.

На монокристадлических вискерах В1 Гайдуков, Данилова и Ншсифоренко при упругой деформации &1/1 = о.йй по максимуму тэркоэдс, а также периоду квантовых осцюшяций термоэдс в магнитном ясше наблвдали ЭТИ типа "рождение новой полости ". з). Заварвдкий, Макаров и Кргенс методом термоэдс провели исследования ЭТП при т<7 к н под действием гидростатического давления до 13 кбар в чистых к«-, п, 1п, а также в сплавах и с Нд и в СШЮВХ 1п С Нд И СИ.

В 3-й главе описаны исследования под давлением термоэдс

металлов и методы; ее измерения в условиях гидростатического сжатая и низких температур. Перше измерения поведения термоэдс для ряда металлов и сплавов в диапазоне т=о-юовс до р=ла кбар провел Бридамен. Оказалось, что в подавляющем большинстве случаев термоэдс сжатого металла по отношению к несжатому лолоаительна ("сж_несв >0) • Исключение составляли : мд, со и манганин. С учетом знака « при р=о следовало, что Iа(р) | для са, Си, 2п с давлением растет, а ДЛЯ РЬ, РЪ и константана - падает.

Вврч изучал термопару ръ-(р1+10* йь ) до кбар в диапазоне т=о—470°с и нашел, что « термолары с давлением уменьшается.

Банда до юо кбар исследовал константен, алшель, р*., N1» т+ 18« мо, хромель и обнаружил, что термоэдс большинства термопар с давлением падает.

В разделе з. а. 1. описаны методика и сами измерения под

гидростатическим давлением до ю кбар в области т = 1.5-4.2 к коэффициента Зеебека термопары (Аи <- о.о7к - си.

Исследования проводились в стальной камере фиксированного

давления о 12 мм. Для измерения перепада температур внутри камеры использовались 2 термомэтра из фосфористой бронзы (ФБ), которые градуировались по давлению паров не. Один из термометров, состоящий из медной катушки с намотанным на него бифнллярно проводом о о.1 ш, припаивался к телу обтюратора. Второй подобный термометр располагался над ним на расстоянии ю мм. Для создания градиента температуры мэзду термометрами внутри второго термометра по оси помещался нагреватель из нихрома. Спаи исследуемой термопары длиной- зэ ид и о о.а ш, помещались в отверстия в медных катушках термометров и заливались сплавом Вуда. Измерения прводялись с интервалом в

0.1.к при перепаде температур ненду термометрами о. оэ- о.1 к. Фиксированное давление в камере измерялось по манометру На основании полученных данных был сделен вывод, что в измеренном диапазоне давлений до ю кбвр термоэдс термопары

(Аи+ О.ОТХ Ре)- Си ИЗМвНЯвТСЯ НЭ СйШв ЧвМ НЭ 2«. ЭТО

величина разброса наших экспериментальных точек, в пределах которого не удается проследить зависимости « от р. В разделе з.з. описна методика измерения коэффициента

термоэдс а металлов в широком интервале температур т=1. эч-зоо к и до гидростатических давлений зо кбар. Эта методика была разработана дня наблюдения под давлением в районе 154-17 кбар ЭТП в са,

1. Камера высокого давления.

Измерения термоэдс с<а проводились в двухслойной камере высокого давления из бронзы БрЕ2 с вкладышем из немагнитной стали марки 40ХШ) . Внутренний канал камеры составлял в ш. Средой, передвнщей давлений, служила смэсь масло-пвнтан (40:60).

2. Образцы сс1 представляли собой монокристаллы высокой чистоты с кэоок / к4 ак = 20000. Размеры образцов с осью и оси

С -(8.7 1.2В 0.15) ттЭ, С ОСЬИ 8 С11203 -(Ю.О 0.75 0.43) гпт3.

3. йонтаж образца. Нижний торец образца cd сплавом ir>-ei

припаивался к диску из меди, электрически изолированному от обтуратора. На верхний торец припаивалась медная катушка с нагревателем ив нихроме ° so мкм. Одновременно к верхнему и нашему торцам припаивались измерительные термопары. 4.1. Абсолютная температура образца измерялась манганиновым

торшметром сопротивления. Он изготовлялся из провода о о. ib ш, намотанного бифиллярно снаружи камеры высокого давления. Сопротивление термометра изменялось от R^^ = eso ом до

R<t йк =7эо оы' ^ри т = 4 2 к * z i0_4 к_1-

4.а. Для измерения градиента температур на образцах са

использовалась термопара ccu *-o.íx f© +0.017« из - рь.

б. Процедура измерения. Температура верхнего я нижнего торцов

образца измерялась термопараш (clu-fo+lís - рь, сигнал от которых шючередш подавался через усилитель на ось У даухкоорданатного самописца СНГ. Тершэдс образца измерялась путем подачи сишала с рь-ветвей термопар через усилитель не ось У самописца СИЗ. Развертка по оси X самописцев зависела от условий эксперимента и была либо врешнная, либо от цангазднового термометра.

s. i. в стационарном режиме (т< а. г к ) камера • высокого

давления целиком находилась в жидком гелии и ее температура регулировалась давлением откачанных паров. На ось X обоих самописцев издавалась временная развертка. Исключение паразитных термэвдс в обеих цепях достигалось последовательной ззшгеыю сигнала с включенным и выключенным нагревателем. Время включения я выключения выбиралось в пределах 45-ео сек. Обычно засасывалась непрерывная серия из 3-х имцульсов.

в. а. Динамичный режим: т>4. а к. Камера высокого давления

шдашалясь в дьюаре над уровнем жидкого гелия и отогревалась в его парах. На Х-ось самописцев подавалась развертка от манганинового термометра. Система включения и выключения

нагревателя полностью повторялась как я в стационарном решив, в. Параметры эксперимента. Выделяемая в нагревателе мощность

w= з.о мвт Перепад температуры на образце составлял o.i-o.a к. Величина измэряемой термоэдс образца а зоо нв.

В 4-ой главе дано описание ЗБ, БФ и термоедс при р=о металлов

са и 2п. оба металла кристаллизуются в решетке ГПУ с с/а= 1.S86 и i.ese соответственно. Под действием гидростатического сжатия анизотропия са падает и можно ожидать, что ЗБ, Ш и термоэдс cd под давлением будут приобретать черты, характерные для 2п.

ЕВ этих иетвллов представляет собой шестигранную призму и Ш располагается в 4-х одинарных ЗБ. В 1-ой ЗБ в вэрашах призш н помещаются дырочные карманы. Во 2-ой ЗБ - нногосвяеяэя дырочная корона, обычно называемая "монстром ". В 3-ей воне располагаются электронные поверхности: "иглы линза и "бабочки '*. В 4-ой зонв имеются только электронные "сигары Согласно теории и эксперименту в са и zn "бабочки" и "сигары " не заполнены электронами, а " иглы" и связность " рукавов монстра" в пл. (oooi) появляются в са только шд давлением.

Согласно зонным расчетам Старка и Фапякова в са и 2п энергетические зоны блихэ всего подходят к ер. в точках к, l и Именно в этих точках mosho ожидать появления в са новых полостей ПФ, т. е. ЭТП, шд давлением ш сплавлении с мд.

Влияние всестороннего и одноосного сжатия, а также введения изовалвнтных примесей мд и нд на электронный спектр са изучал Гречнвв. Он предсказал сшканив "рукавов монстра " в са при р= s кбар . Зонный самосогласованный расчет чистого Cd и сплавов са-мд провели Варшхнн, Егоров и др. Они предсказали в cd-Mg сплаве два ЭТП: при х= о. oes и при х= о. i аз.

Впервые ЭТП в cd при гелиевых температурах и давлении кбар наблюдали Ицкевич и Вороновский, изучая угловую зависимость магнетосояротивления. Обнаруженную аномалию они приписали одновременно двум ЭТП - смыканию "рукавов монстра "

во 2-ой ЗБ и рождении электронны! "игл " в 3-ей ЗБ.

Электронные перехода в чистом са набявдаяись при растяаэнии

монокристаллических вискеров в направлении tiât03, лежащем в базисной плоскости. Hps этом растяжении происходит уменьшение анизотропии кристалла. Волтангтон, Кук и Скоув обнаружили аномалию температуры сверхпроводящего перехода и электросопротивления.

Подробное изучение кадмия под давлением до зо кбар методом осцилшщий ДГВА било проведено Будько, Вороновским, Гапотченко и Идкевигаем. При давлении îr-ie кбар они наблвдали рождение а-ух частот, которые они объяснили возникновением новых сечений при смыкании "рукавов монстра" и рождении "игл".

В неупорядоченных сплавах cdx-х*3^• измеряя термоэдс в области г< т ал к, Варжин и Егоров обнарухили две аномалии: при х=о. oes и х= о. il. ¿вторы приписали их рождении s электронных "игл " в т.к и is электронных "бабочек " в т.ь.

Изучая магнитную восприимчивость * сплавов cdt ид>< при нн оси с и т=4.2 к, Сввчкарев, Кузмичева и Полторацкий наблвдали 4 особенности при концентрациях Mg: o.oos; о.oie; о. oes и о. ею.

Койке, Насегава и др. в сплаве cd-Mg с ю х йд методом аннигиляции позитронов обнаружили новые полости ® в точке L.

Варншга, Егоров и др. изучали ЭТП в сплавах са-мд путем измерения теплоемкости при низких температурах. При т<з к они наблвдали аномалию при х=о. и.

В разделе 4.л. приведены геометрические размеры отдельных

частей ПФ cd и 2п, определенные методами ДГВА и поглощения ультразвука. В области давлений ir-ia кбар ПФ кадмия становится подобной ПФ цинка. Поэтому можно ожидать, что аналогичное подобие может возникнуть и в термоэдс. этих металлов.

Раздел 4.6. посвящен описании данных, напученных Роу и

Шредером для термоэдс а I а при атмосферном давлении в диапазоне т=4.г-зоо к для двух направлений теплового потока в кристалле: » и ± оси с&. Основные особенности в виде нешироких максимумов и минимумов наблюдаются в обоих металлах в области температур т<5о к. Авторы приписывают это явление увлечению электронов фононами. Максимума этот аффект должен достигать в диапазоне ®ПЛ° -^г/3« к для са и зо-во к для 2п,

Роу и Шредер связывают особенности термоэдс са л а при низких температурах с определенными полостями ПФ. Для направления и оси с6 наименьшим размером обладают "рукава монстра " у 2п. Соответствующий им положительный максимум <*„ располагается при т <4.з к. В са "рукава монстра " разомкнуты и никакого положительного вклада в <д при: низких температурах нвт. Небольшой положительный максимум в «„ кадмия при т=зо к приписывается "карманам " в 1-ой ЗБ.

5-ая глава госвщена экспериментальным результатам, полученным

на са в поисках ЭТП методом термоэдс в диапазоне температур т=

4. а-зоо к и гидростатических давлений до зо кбар. Были исследованы два направления градиента температур: V тп

г 0001:1-0^ и 7 тп сиаоз-

Опыты по Vизмерению продольной термоэдс сделаны на одном образце са и разбиваются на 3 серии : А(7 оп.), В(4 оп.) и С(7 оп.). Различаются они в основном величиной аномалии термоэдс при низких температурах в области ю-го кбар . При т > во к расхождение мезду сериями значительно уменьшается. В каждую серию входят опыты с повышением и понижением давления. Меяду сериями А и В происходила смена обтюратора и перэмонтаэс образца. Мезду сериями В и С образец из камеры не вынимался и длительное время выдерживался под давлением. Дня температурных характеристик а,,=/(т), полученных в опытах под давлением, моано выделить некоторые общие черты:

i) о, <0 дан всег кривых с р < 1а кбар и для т < 200 к;

а) в диапазоне т=юо-аоо к «„ изменяет знак на положительный;

3) при т-зо к о<| имеет максимум;

4) в области т=4 оо—i so к наблвщвется пологий минимум термоэдс.

При р > рс, критического давления, при котором происходит

ЭТП (смыкание "рукавов монстра "), ПФ са становится подобна I® 2п ж можго ожидать появления у са в области низких температур положительного всплеска термэадс как у zn. в сериях А и С маггсшальное давление , при котором отсутствует положительный всплеск в области т=4-7 к равно ío.s и 7. а кбар соответственно. Минимальное давление , при котором этот всплэск уав существует, равно 12. ¿ и 12.7 кбар. В серии В голоаительввя аномалия <* зафиксирована лишь при уменьшении р до p=is. з кбар. Графики «„=/ (р) для 3-х серий опытов при т = 5. s к обнаруживают в области ю-го кбар полоавтльяую аномалию с максимумом при p=ie кбар. Данный ЭТП обусловлен фононной ад и диффузионной а, термоэдс . С ростом Т «д будет падать, a ad возрастать. Величина аномалии уменьшается и, наконец, при т- aso к исчезает.

Измерения поперечной термоэдс <*А на образцах са были разбиты на 2 серии: 1(6 оп.) и 11(5 он.). Между собой ати серии .различаются величиной отрицательной * при t<is к. При i>is к тешературный ход для обеих серий и кривой Роу и Шредера подобен: 1) а^>о; г) при т=гз к положительный максимум; з) в области 110-120 к пологий минимум.

Разрез при т=е к обнаружил, что в 1=ой серии опытов ввиду разброса точек никакого вывода о наличии аномалии в области ожидаемого перехода р=ю~ао кбар сделать нельзя. Для 11-ой серии аномалия наблюдается вблизи 14 кбар.

В разделе S.3. анализируются максимум* «а и в области

т=зо к и их зависимость от р.

В разделе s. 4. анализируются минимумы <*,, и «х в области T=iao

* aso к и их зависимость от Р.

Глава 6 посвящена новым методикам по измерении под

гидростатическим давлением при низких температурах теплоемкости теплопроводности * и температуропроводности а. металлов.

В разделе е. 1. описана методика измерения теплопроводности

металлов в условиях гидростатического сжатия, использующая стационарный продольный тепловой шток. При фиксированном давлении в квазистационарных условиях происходит непрерывная запись теплового сопротивления образца как функции медленно менявшейся температуры в диапазоне а-5-15 к.

В качестве сосуда высокого давления использовалась стальная камера с внутренним каналом о а мм. Средой, передавдей давление, служил осушенный керосин. Эксперименты при гелиевых температурах проводились до давлений ю кбар. Перепад температуры вдоль образца измерялся дифференциальной термопарой си - (Аи +■ о»07 'л Ре). Спаи, покрытые изоляцией, располагались по осевой линии образца на расстоянии в. 2 мм в отверстиях о о. эз т. Абсолютная температура образца измерялась термопарой си-(си + о. 15 % Нихрошвый

нагреватель наматывался бйЕшшярно и укладывался в канавку шириной о. аз ми в верхней части образца. Сигнал от абсолютной термопары, т2 поступал на горизонтальную ось х двухкоординатного самописце, а с дифференциальной термопары на, ось У самописца. Измерения проводились при разных токах нагревателя. Выделяемая в нагревателе мощость изменялась от а. з до 17 мвт. Перепад температуры на образце колвбался от в

о

10 до з ю к.

В качестве объекта для проверки методики был выбран рь, теплопроводность которого при низких температурах имеет ряд интересных особенностей, связанных с наличием сверхпроводящего перехода при тс=?.а к и сменой механизма переноса тепла при т < те. Было интересно проверить теоретические расчеты Кресина и Гейликмана ш теплопроводности чистых сверхпроводников.

- и -

Образец рь имел о а. г мм, длину 1=12 мм и чистоту ев.ееэ. Всэ кривые «(т), снятые наш при различных давлениях, в сверхпроводящей области нмавт четкий максимум при т = з к, иишшум в районе в-нз к и резкий пик в точке т,. с давлением « свшца в о- и а- состояниях растет. В нормальной области *п свшща обусловлена ^ основном электронами, рассеивающимися на фононах. При т = в к а 1п *п/ар = з.ое ю бэр-1. Расчет ш литературным данным

й 1п хп/а р = 1п к /а р + а (I и е /а р = з. о ю-5 бар-1.

в? оо О г

В з- области обусловленная электронами ,

рассеивавшимися преимущественно на фононах, будет преобладать до тт= Б-гб к (точка минимума «®) При т<ти *в растет, что объясняется спадом числа п- электронов и возрастанием фононной составляющей , которая в этой области ограничена

рассеянием фонодав на электронах. В области 5 к * т « свинца растет с р нелинейно и (йгстрее, чем в л- области. В диапазоне см-ч. кбар усредненная величина а 1п р = бар-1.

В разделе 6.1.4. описывается измерение теплопроводности

керосине, служащего передающей давление средой, в интервале тешератур т=г -зоо к и до давления ю кбар. Теплопроводность измерялась радиальным методом в той же камере высокого даьявшя при помощи двух коаксиальных медных цилиндров. В исследуемом интервале давлений к керосина на -3 порядка нжа « свинца. При г к потери тепла в среду составляют 6 ^ п увеличиваются до ю я при т=ю к. с учетом всех ошибок мы считаем, что данная методика позволяет измерять теплопроводность металлов в описанном диапазоне температур и давлений с точностью не хуже е * .

В разделе 6. а. описывается новый метод ас-калориметрии для

измерения теплоемкости металлов в условиях гидростатического сгатня и низких температур. Если образец с теплоемкостью со поместить в вакуум и подвести к нему с частотой ш мощность р =

ро ехр (1.<о1), то переменная составлявшая его температуры

тае = <р</ со) «хр (« п/г)}.. Откуда со= ро Д> |та°| При атом неявно предполагается, что затухания тепловой волны в образце не происходит, что для металлов, обладающих высокой температуропроводностью а при низких температурах (-ю4 см2/сек) является законным допущением. При помещении образца в среду, передавшую давление, вместе с образцом начинает колебаться и прилегавший к нему слой жидкости, что вызывает изменение как амплитуда , так и фазы температуры образца тас. Поэтому

1Тао1 = (Ро/ « Со>

Цр)= соз р - &1п о - множитель, зависящий исклвчительш от угла Р, определящего сдвиг фазы температуры образца под влиянием окружавшей его среды.

Данная мэтодика была апробирована на изучении зависимости скачка теплоемкости а-, при сверхпроводящем перехода. Измерзшя проводились в диапазоне т=1. а к и до гидростатических давлений ю кбар. Образцом служили два идентичных Зп -цилиндра длиной 9 и о а. б ш, между которыми вклеивался нагреватель -пленка В1, напыленная на слюду толщиной <ю мкм. Переменная составлящая температуры образца (т^) измерялась двумя последовательно соединенными дифференциальными термопарами (Аи + о.07 я Ре)- Си. Абсолютная температура измерялась термопарой (си + о.13 п Ре) - си. Внутренний канал камеры -18 т. Передавдая давление среда: смесь керосин - масло (1:1).

В ходе эксперимента напряжение от звукового генератора с частотой <о/а подавалось на нагреватель образца и одновременно на удвоитель частоты и опорный канал фазометра. Эдс термопары частоты « , пропорциональна я тас, поступала на усилитель с включенным на входе сопротивлением йк= 0.1 ом. Эдс термопары измерялось компенсационным методом, а усилитель служил нуль-прибором. Кошенсируадев напряжение поступало от удвоителя частоты через фазовращатель, калибровочный делитель. Для

измерения фазы компеясирущего сигнала напряжение с .делителя через триггерннй делитель частоты подавалось на второй канал фазометра. Усилитель имел два резонансных фияьгра, настроенных на частоты за и те гц о полосой пропускания о. э рц, 4 ом, чувствительностью s нв на шкалу, уровнем шумов - о. os нв. Величша сигнала от термопар на частоте /х/г= îe.e гц составляла -во нв. Измерения на 2-х частотах позволили исключить набег фазы в нагревателе, который слабо зависел от т ЕРН равнялся 4°.

Результаты измерений скачка теплоемкости sn от давления дали d ln AC/d Р = - 1.86 ю-0 бар-1 И АС(Р=0) =io. во мдк/моль к, что близко к значениям из калориметрических (ю. во) и магнитных измерений (±о.se). Оценка г с использованием ф-лы Кресана и Пархоменко для ftc = лс/у т, дала d 1 п у/лр = - s ю-7 бар-1.

Из магнитных измерений, проведенных на Sn шд давлением Вэрман, Брандтом и Гинзбург , величина

a in j-/dP =- 3.64 ю-6 бар-1.

Результирующую погрешность в измерении теплоемкости мы оцениваем в 5-е

5 разделе е. з. описывается новый метод измерения

' температуропроводности а и теплоемкости ер металлов под давлением при низких температурах с использованием температурных волн (ТВ). Особенность метода заключается в том, что термометр во избегание влияния округа лцей скреда помещается внутрь образца на его осн. Это позволило рассматривать образец как одномерный и волновое уравнение а т/ о i = а т2 т имеет решение

Т (vc.t,) = (Р /и С) ехр - F(x) , ГД8

ро ©xp(iut) - входная мощность в образец, с - полная теплоемкость образца длиной i,

d ch z (1-х) + sh z(l-x) F (к) = a 1 d sh zl-+ cïTzï- = 'F'

4 /g

z = ((о/г<з) (i+i) - постоянная распространения ТВ ,

d = ж z Ac zc = (* с р/ к. cc Pc)1//2 - ОСНОВНОЙ Параметр

характеризующий среду, где *, с, р и *е' сс» ^с-теплопроводность, теплоемкость, плотность образца и среди. Для бесконечного образца d = i, для случая вакуума d = оо . В реальных случаях d н. Дяя теплоемкости справедлива ф-ла: с = (ро/ <о |Т|) |Р| Для амплитуданх и фазовых характеристик основными параметрами служат переменные: ь = i - x/i и

g = {WZay^ 1.

Амплиудаые и фазовые характеристики. Выбор величины l.

Кривая |F|=/(g) имеет характерный максимум. Чтобы при изменении d от i до оо изменение |р|пах не превышало i и, нужно выбирать место расположения термометра ь> o.e. Выбрано l=o. без. Фазовая характеристика рт начинается с - эо° при д = о, проходит через минимум (-ао°) при g = i.s+i.e и с увеличением д асимптотически приближается к прямой : ? = - пА + g (L-i).

Определение теплофизических параметров а, с и *. 1). Определение коэффициента температуропроводности <*.

a). Фазовый метод совмещения. Снимается фазовая характеристика

t»® = /(«о) и строится график как функция от параметра g = (о>/а ö)1'-2 1, где подбором а добиваются совмещения на экране дисплея с расчетной кривой *>/(д) .

1 /Р

b). Графический способ. На графике *>т= /(и из точки -п/4

проводится прямая, проходящая через точки, соответствующие большим частотам (/ = 300+400 Гц). Определяется тангенс угла наклона прямой / и а. вычисляется по формуле:

^ = 1а (L-1 )а/ а f

с). Аналитический способ. Снимается фазовая характеристика

рт=/ (<•>) • Методш иттераций для кавдрго ^ находят соответствующее значение параметра д. Коэффициент вычисляется по формуле :

а = а I2/ 2 да И усрвДНЯбТСЯ.

а). Определение теплоемкости ср.

a). Фазовый метод. При разных « измеряются амплитуда |т| и

фаза ТВ . Строится график = / (<//а) и сравнивается с расчетной кривой = /(д). Для каадого методш

датерацай вычисляется де, а по нему Iр"I и с = /(и

b). Ашлитудаый метод. Строится экспериментальная зависимость

(<о|т|)8 = /( о1"^2) и определяется ее максимальше значение

с = (V "1тих> гда

|р|юах расчитывается по ф-ле для заданного ь .

с}. Метод совмещения. На дисплее совмещаются две кривые:

расчетная |р|=/(з) и экспериментальная рй = |Т|/ро) ссов. Для этого служат два подгоночных параметра: по горизонтали коэффициент а , а ю вертикали - искомая теплоемкость ссов~ ,з). Определение коэффициента теплопроводности *.

Теплопроводность * вычисляется по известной формуле

к = а С / 8 1 .

Эхперимввтальная проверка методики.

1). Образцы. В качестве металла для проверки методики был

внбран N1, обладавший большой электронной теплоемкостью (се=0. 99 при 1.78 к). ег у n1 л8жит на КруТОМ скюнв

шика плотности состояний. Поэтому можно было ожидать, что давление окажет заметное влияние на его сри а. Применялась сишетричная конструкция. Два образца ш , имеющие одинаковую длину 1 - 12.3 мм и о э мм, склеивались через нагреватель. Для помещения в них термометров каждый образец

разрезался на 2 части длиной е. 1 и л. а да, которые затем спаивались. Внутри меньших: образцов в отверстиях по оси помещались термометры. Общий объем образцов- 1.эа см3, суммарный вес -13. э г. Вес остальных добавок (нагреватель, термометры, клей, подводящие провода)- is мг, т.е. меньше о.4 Образцы ш имели поликристаллическую структуру и чистоту so.q7 54. Предварительно они отжигались при т = iooo °с в течение 2-х часов в откачанной кварцевой ампуле, а). Термометры изготавливались из стандартных угольных

резисторов фирмы Allen-Bradley С НОМИНЭЛЬНЫМ СОПроТИВЛвНИВМ кзоок = 120 ои и Ррас= 0.12S вт. Из них вырезались диски толщиной <5=о. i-ю. 13 мм. кт(4.з)= loo ом при р = о. s кбар, а <>rt/<jt в рабочей точке т = 1.784, к изменялось от збо ои/ к при р = о.s кбар до во ом/ к при р = 8.7 кбар.

3). Нагреватель Н изготовлялся из нихромовой проволоки о so

мкм марки ПЭВЮС в виде однослойной бифиллярю нзштавной кольцевой спирали. Сопротивление кзоок =214 ом.

4). Аппарат высокого давления представлял собой стальную

камеру с фиксирующей гайкой и внутренним каналом is ш. Передающей давление средой служила керосин-масляная смзсь

s). Основу схемы измерительной установки представляет

калибратор фазовых сдвигов 46125, с 1-го выхода которого напряжение в форме прямоугольных импуьсов частоты « попадает через выпрямительный диод и регулировочное сопротивление на нагреватель образца. Благодаря отсечке отрицательной частя импульса удается избежать удвоения частоты мощности в нагревателе, а , следовательно., и удвоения частоты в сигнала, снимаемого с термометров. Переменная часть сигнала через емкость подается на компенсационное сопротивление Хомпенсирувдее напряжение в форме двухпоярннх прямоугольных импульсов частоты « снимается со 2-го выхода калибратора.

Регулировке по фазе кошюнсируадэго сигнала с точностью до i° осуществляется с помощью устройства внутри калибратора, а по амплитуда - переменным сопротивлением. Сигнал раекомпенсации подается на трансформатор , а затем на селективный усилитель, настаиваемый на пропускание 1-ой гармоники сигнала частоты Момент компенсации визуально регистрировался по осциллографу, в).Измерения температуропроводности и теплоемкости проводились

при т = 1.78 к и давлениях до а. 7 кбар в диапазоне частот от ю Гц до i кГц. Мощность в нагревателе рн= з мвт, т^ -тван= °'26 к" ^Р1 / = го Гц ит= 17о ыкв и падало до 17 мкв при / = аоо Гц. При атом амплитуда ТВ изменялась от o.ot до o.ooi к.

a) Измерение температуропроводности проводилось 3-мя методами и расхождение не превышало а х.

Температуропроводность а растет с давлением ив линейно:

р» g

а = ss.Q + г. в р - o.i р с, где [аз = см /сек; tpi = кбар.

—5 —1

При малых давлениях (d in a/d р) = í.e ю бар

b). В измерении теплоемкости использовались 3 метода. В

фазовом методе кривые с = / (и1 ) демонстрируют плато в области i оо щ и почти линейный относительно "1,/2 спад с ростом частоты. Зависимость от р при т= 1.7S4 к апроксиыировалась прямой:

с = з. os - г. 67 ю~г р , где ícd= мда/к, cpi= кбар

Отсюда d in ср/ар = = - 8.66 ю-6 бар-1. Расчеты по литературным данным дали значение с = a.Q7 мдж/к.

Амплитудный метод дает заниженные значения теплоемкости.

По методу совмещения: сгов = з.оа - з.se ю-2 р , срз=кбар

и d in c^g /dP = - 1.17 ю"6 бар-1 .

c) Определение теплопроводности образца ni было сделано при т

= 1.7а к. Полученная величина к = о. 17 вт/см к в 2 раза меньше данных Розенберта и Шарма, полученных на

монокристаллах. .

» in ж/ар - + е. э ю-® бар"1. 7). Обсуждение результатов. За вычетом решеточного с^ и

МаГШИШГО ВКЛаДОВ (сп/с0йщ= ® 10_3 При Т = 1.784, к)

зависимость от давления коэффициента электронной теплоемкости г никеля:

г ~ 7-за - s. S7 ю р i^i щда/моль к , 1РЗ=кбар,

(го литературным данным г(р=о) = 7.ог+ т. оз мдас/иоль к ) и

din r/dP = - 7.3 ю-6 бар-1 (теоретический расчет Андерсона

din j-bs /ар = - е. а ю-7 бвр-1).

В разделе е. з. е. рассматриваются погрешности метода ТВ.

Наибольшую погрешность (s +е к) в измерение теплоемкости вносит определение произведшей я^/ат. Кроме того, вследствие нелинейной зависимости Rt(t) в сигнале с термометра появляются компоненты - ^П//а, что приводит к спаду кривой с = /(о>1'г2) при / >iso щ. Погрешность, обусловленная боковыми потерями в среду, наличием изоляционного слоя на границе нагреватель-образец я пограничного слоя из сплава in-bi на стыке 2-х образцов ni, оценивается не вше i х.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований делаются следующие вывода:

i. Разработана методика и создана экспериментальная установка для исследования под гидростатическим давлением до зо кбар термоэде металлов, а также полупроводников и изоляторов в широком интервале температур т= i. в*зоо к. а. Исследована температурная зависимость термоэде монокристаллов са в направлениях » и л. оси с6 от 4 до зоо к шд гидростатическим давлением до зо кбар.

з. На температурной зависимости (т) и «х(т> при т = -4*7 к в с<1 при давления! р > 12 кбар наблщадись положительные аномалии термоадс, характерные доя 2п, имеющего сомкнутые рукава дарочного монстра " во 2-ой ЗБ.

На зависимости от . давления термоадс <а| (р) и <*ХСР) при казнах температурах (5-е к) в са наблодались четкие положительные аномалии с центром в области 14-15 кбар. Эти аномалии связываются, согласно данным по ДГВА с ЭТП в са, обусловленным смыканием "рукавов дарочного монстра з. Экспериментально подкреплен теоретический вывод о том, что фэпонная термоадс в анизотропном кристалле также испытывает аномала» при ЭТП , как и диффузионная о>а. е. Создана экспериментальная установка для исследования зависимости от гидростатического давления в области гелиевых тешвратур термоадс низкотемпературных термопар (Аи+Ре)- си,

(си4-ре)-си.

?. Показано, что термоадс термопары (Аи+ о. о?* р©) - си в области 1.5-4.. 2 к при гидростатических давлениях РНв до ю кбяр изменяется не более , чем на г я.

е. Испытаны под давлением до ю кбар при гелиевых температурах термометры из фосфористой бронзы. Показано, что характеристики к(т) ж ак/ат=у(т) сдвигаются с давлением в сторону меньших температур подобным образом со скоростью з ю-2 к/кбар. е. Разработана методика и создана экспериментальная установка дал исследования под гидростатическим давлением при низких температурах методш продольного теплового потока теплопроводности металлов.

ю. Получена зависимость от давления до ю кбар теплопроводности рь в сверхпроводящей (»а) и нормальной (*п) фезах.

11. Проведен расчет функции (т)/«^ (тс) для рь при давлениях от о до ю кбар.

1г. Эксперимент и расчет показали, что константа алектрон-фононного взаимодействия в рь с давлением падает.

ta. Радиальным методом на постоянном тепловом потоке измерены до ю кбар теплопроводность передающих давление сред : керосина от 2 до зоо к и керосиномасляной смвси (1 •■ i) в диапазона 1.5*4. г к.

14. Разработана методика и создана экспериментальная установка для исследования под гидростатическим давлением при низких температурах методом переменного теплового потока (ас-калориметрия) теплоемкости металлов.

is. Исследована до ю кбар зависимость от давления скачка теплоемкости sn при сверхпроводящем перехода.

16. На основе расчетов показано, что плотность электронных состояний в Sn падает с давлением со скорость® d in y/dP = -о. в ю-6 6ap-i.

17. Разработана методика н создана экспериментальная установка для комплексного исследования под гидростатическим давлением при низких температурах методом температурных волн (ТВ) теплоемкости и температуропроводности металлов.

ía. Проведены до ю кбар измерения теплоемкости и температуропроводности ni при т< 4.2 к. ie. Обнаружен нелинейный рост с давлением температуропроводности ni и падение с давлением со скоростью d irt уapv= -7.3 ю-"3 бар-1 его электронной теплоемкости-го. Проведены расчеты по оценке погрешностей, вносимых в метод ТВ частотной зависимостью параметров термометра, боковыми тепловыми потерями и отражением ТВ от промежуточных плоскостей в образце.

Опновные результаты диссертации изложены в следущих работах:

1. Е.С.Ицкевич, В.Ф.Крайденов / Измерение теплопроводности металлов при низких температурах/ ПТЭ, 1974, ы е, 0.170-173.

2. Е. S. Itskevieh, V, F. Krai denov У Low -temperature thermal conductivity of lead under pressure/ HT-HP, 1Q75, 7, NB, p.654-6SS.

3. Е.С.Ицкевич, В.Ф.КраДденов, В.С.Сызранов / Измерение низкотемпературной теплоемкости металлов под давлением/ ПТЭ,

1977 , W 3, С.221-225.

4. Е.С.Ицкевич• В.Ф.Крайденов / Измерение температур в области жидкого гелия под давлением/ ПРЭ, Ю78, ыв, c.i64-iee.

s. с.Л.Будько, А.Г.Гапотченко, И.С.Ицкевич, В.Ф.Крайденов / Измерение термоадс металлов при низких температурах под давлвнием/ íeas. 1ТГЭ, ы s, с. ise-ieo. -

а.° В.Ф.Крайденов / Скимаемость керосиномасляной смеси и полисилоксашвых аидкостей ГОС-1 и ПЭС-2 до 1,5 ГПа/ Физика и техника высоких давлений, isa?, ы as, c.is-17. 7. В.Ф.Крайденов / Теплопроводность керосидамасляной смеси при гелиевых температурах и давлениях до I ГПа./ Физика а техника высоких давлений, iq87, n 25, с.17-20

е. В.Ф.Крайденов, В.В.Стружкнн / Измерение температуропроводности твердых тел под давлением методом температурных волн/ Физика я техника высоких давлений, isa2,

2, N 1, С. 103-107.

о. В.Ф.Крайденов, Е.С.Ицкевич, А.Г.Гапотченко . Термоэдс кадмия под гидростатическим давлением до 3.0 ГПа в области электронно- топологического перехода / ФГТ , lees, 37, j6 2,

C.40S—414.