Содержание к диссертации
Введение
I. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ТЕПЛООБМЕНА ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ЖИДКИМ ГЕЛИЕМ
1.1. Стационарный теплообмен твердых тел с Не . 6
1.2. Стационарный теплообмен твердых тел с Не ЇЇ 15
1.3. Нестационарная теплоотдача в жидкий гелий . 24
1.4. Цель и задачи исследований 31
П. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ., ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ
2.1. Метод измерения нестационарной теплоотдачи в жидкий гелий из тонкой металлической пленки 35
2.2. Выбор материала подложки 37
2.3. Выбор детектора неравновесных фононов 41
2.4. Температурная динамика тонкопленочных нагревателей и болометров 43
2.5. Приготовление подложек и нанесение пленок 47
2.6. Экспериментальная установка для измерения нестационарной теплоотдачи в жидкий гелий из тонкой металлической пленки 51
2.7. Распространение тепловых импульсов в кристаллах сапфира 61
Ш. НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛООТДАЧА В дИДКИй ГЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ .
3.1. Влияние контакта нагревателя с вакуумом и с жидким гелием на форму и амплитуду импульсов баллистических фононов 70
3.2. Температура пленочного нагревателя в вакууме и в жидком гелии 81
3.3. Нестационарный теплообмен тонкой металлической пленки с жидким гелием 83
3.4. Теплоотдача к жидкому гелию при отсутствии его кипения 94
ІУ. ТЕПЛОВОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ВОЖ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ЗВУКОВ В ЖИДКОМ ГЕЛИИ
4.1. Механизм и эффективность теплового возбуждения волн первого и второго звуков в жидком
4.2. Влияние динамики образования, расширения и захлопывания паровых полостей на поверхности нагревателя на форму возбуждаемых звуковых волн 113
4.3. Время жизни паровых полостей на поверхности нагревателя 120
Основные результаты работы и направления дальнейших
исследований 124
Литература 127
- Стационарный теплообмен твердых тел с Не
- Метод измерения нестационарной теплоотдачи в жидкий гелий из тонкой металлической пленки
- Влияние контакта нагревателя с вакуумом и с жидким гелием на форму и амплитуду импульсов баллистических фононов
- Механизм и эффективность теплового возбуждения волн первого и второго звуков в жидком
Стационарный теплообмен твердых тел с Не
Если твердое тело, погруженное в жидкий гелий, имеет температуру отличную от температуры лР то между ними происходит теплообмен. Процесс теплообмена характеризуется зависимостью поверхностной плотности теплового потока снимаемого (отдаваемого) жидкостью с поверхности твердого тела (поверхность теплообмена) Q от температурного напора ДТ = ТН-ТЕ - разности температур поверхности теплообмена Тн и жидкости Тж. Отношение = Q / Д Т называется коэффициентом теплообмена, а его обратная величина R тепловым сопротивлением теплообмену. На рисЛ.1 показана зависимость Q. = з (ДТ), характерная для теплообмена любых твердых тел с жидким гелием I для случая Тн Тж. Анализ этой кривой в широком диапазоне температур поверхности теплообмена позволяет выделить несколько режимов теплообмена /1-2/ ( теплообмен со сверхтекучим гелием П имеет свои особенности и будет рассмотрен отдельное
При температурных напорах А Т д Т3 - теплового напора соответствующего началу вскипания гелия у теплоотдающей поверхности отвод тепла от твердого тела к жидкости осуществляется путем обычной диффузионной теплопроводности и однофазной конвекции. Если конвективный отвод тепла мал, то величина теплового потока в п2 1 определяется тепловым сопротивлением границы раздела твердое тело - жидкость RK , которое реализуется в виде скачка температур ДТ = THj у границы раздела и тепловым сопротивлением слоя жидкости Rp толщиной I , на котором температура ее меняется от Тj до температуры жидкости в объеме ( П-= с/К , К - теплопроводность НІР ) .
При температурных напорах Д Т Д Т3 теплообмен твердого тела с Не определяется режимом его кипения у теплоотдающей поверхности. Различают три режима кипения Неї : пузырьковое кипение, кипение в переходном режиме и пленочное кипение.
Пузырьковое кипение характеризуется увеличением числа действующих центров парообразования с увеличением температуры поверхности теплообмена. Тепло отводится от поверхности твердого тела как за счет скрытой теплоты испарения жидкости, так и за счет конвективного уноса жидкой фазой, приводимой в движение растущими и всплывающими паровыми пузырями (двухфазная конвекция) . С ростом теплового напора растет плотность теплового потока, снимаемого жидкостью с теплоотдающей поверхности. При определенной температуре поверхности, соответствующей Д KD.I плотность теплового потока достигает максимального значения Q KT)#i» называемого первой критической плотностьюи олс.
Метод измерения нестационарной теплоотдачи в жидкий гелий из тонкой металлической пленки
Пусть на кристалл-подложку (диэлектрик или полупроводник) нанесена исследуемая металлическая пленка, нагрев которой осуществляется импульсом электрического тока или световым импульсом лазера. Тепловая энергия, инжектируемая нагревателем в подложку, распространяется в ней в виде фононов продольной и поперечной поляризаций и регистрируется детектором, расположенным на противоположной относительно нагревателя грани кристалла. Сигнал, регистрируемый детектором, пропорционален где . Р(ш) - спектральная плотность потока энергии инжектируемых фононов, L - расстояние между нагревателем и детектором, (И - длина свободного пробега фонона частотой LU в подложке, (у(ш) - спектральная чувствительность детектора.
Если детектор не обладает частотной селективностью, т.е. (w)=const , то при баллистическом распространении фононов в подложке ( CUJ) L) регистрируемый им сигнал пропорционален тепловой эмиссии из нагревателя в кристалл. Это дает возможность по величине регистрируемых детектором сигналов определить температуру нагреваемой пленки.
Отметим, что для разделения на детекторе импульсов продольных и поперечных фононов необходимо, чтобы длительность импульсов нагрева Ф не превышала разности времен их распространения от нагревателя до детектора, т.е. Г L/C L/C , где С и С
- скорости распространения продольных и поперечных фононов в под - 36 ложке, соответственно.
При расчете потока фононов, излучаемых нагревателем в диэлектрическую подложку, обычно полагают, что в течение импульса нагрева фононы в нагревателе находятся в тепловом равновесии, соответствующем температуре Тн . Тепловой поток, излучаемый нагревателем в подложку для случая баллистического распространения фо-нонов в ней и температур нагревателя Тн 8 ( Э - температура Дебая материала нагревателя) описывается выражением /42,4-3/: где Т0 - температура подложки, Р - излучательная способность пленки для фононов с поляризацией Ґ {(Ґ-L/i) , равная: где Г. - коэффициент прохождения фононом границы раздела нагреватель-подложка, X - косинус угла падения фонона поляриза-ции I на границу раздела со стороны нагревателя. Коэффициенты прохождения t обычно расчитываются согласно законам прохождения звука через границу раздела двух сред (модель акустического согласования /Щ/).
При контакте нагревателя с вакуумом вся вводимая в него электрическая или световая энергия излучается в кристалл в виде фононов продольной и поперечных поляризаций. Температура нагревателя в этом случае расчитывается по формуле (2.2) , где Ц -равна вводимой в нагреватель мощности на единицу площади Vv
При контакте нагревателя с жидким гелием часть вводимой в нагреватель энергии излучается в гелий и амплитуда регистрируемых детектором L и Т - импульсов меньше, чем при контакте нагревателя с вакуумом при фиксированной W . Поскольку одинаковые амплитуды L и Т - импульсов, детектируемых детектором при работе нагревателя в жидком гелии и в вакууме достигаются при одинаковой температуре нагревателя, то используя измеренные зависимости амплитуд импульсов продольных и поперечных фононов от вводимой в нагреватель электрической или световой мощности и зная температуру нагревателя в вакууме для различных мощностей, можно получить температуру нагревателя в гелии в любой момент импульса нагрева.
Величина теплового потока, излучаемого нагревателем в жидкий гелий, определяется разностью между мощностями, подаваемыми в нагреватель при его контакте с гелием и с вакуумом при фиксированной амплитуде L или Т - импульса.
Влияние контакта нагревателя с вакуумом и с жидким гелием на форму и амплитуду импульсов баллистических фононов
Форма и амплитуда детектируемых импульсов баллистических продольных и поперечных фононов зависит от того, находится ли нагреватель в контакте с вакуумом или с жидким гелием. На рис. 3.1 приведены импульсы L и Т фононов при контакте нагревателя с вакуумом для различных длительностей импульса нагрева Г и электрической мощности в нагревателе W .. При фиксированной мощности амплитуда импульсов не зависит от Т . Форма импульсов повторяет форму импульсов тока в нагревателе, их полуширина несколько превышает Т и зависит от размеров используемых нагревателей и болометров. Амплитуда импульсов пропорциональна электрической мощности, вводимой в нагреватель W (рис. 3.2) , а отношение амплитуд импульсов Ти/, фононов ( l /l L) остается постоянной величиной, равной 2,5, во всем интервале используемых мощностей нагрева (рис. 3 3,). Отметим, что это отношение Ij/It не зависит от материала болометра.
Механизм и эффективность теплового возбуждения волн первого и второго звуков в жидком
Механизм и эффективность теплового возбуждения волн первого и второго звуков при различных мощностях возбуждающего импульса нагрева W определяется характером нестационарного теплообмена нагревателя с Яе , т.е. величиной и динамикой теплового потока, излучаемого нагревателем в гелий за время длительности импульса нагрева Т . В Ш было показано, что существует несколько режимов передачи тепла от нагревателя к гелию: при малых тепловых напорах д Т = Тд - TQ теплоотдача определяется тепло - 102 вым сопротивлением границы раздела нагреватель - жидкость (режим теплового сопротивления), при больших тепловых напорах теплоотдача в гелий определяется режимом кипения жидкости у поверхности нагревателя (пузырьковое и пленочное для Не 7 и пленочное для Ней).
Поскольку величина теплового напора определяется мощностью импульса нагрева и его длительностью Т , то мы, с одной стороны с помощью болометра,расположенного в гелии, регистрировали возбуждения в гелии для различных W и Г , с другой стороны, измеряли тепловой поток, излучаемый нагревателем в гелий, т.е. изучали динамику образования импульсов первого и второго звуков при импульсном выделении тепла в нагревателе при различных режимах его теплообмена с гелием. Длительность импульсов нагрева составляла 200 . 400 не. Размеры нагревателя и болометра были равны 3,0x3,1 мм , расстояние между ними составляло I,I- I,7 мм, т.е. геометрия экспериментов всегда была близкой к плоской.
