Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор , 8
1. Свойства гелия 8
2. Теплопроводность диэлектриков 12
3. Дефекты в гелии 22
4. Процессы возврата 26
Глава II. Экспериментальная методика ' 30
1. Конструкция прибора и термометрия 30
2. Приготовление образцов чистого 4Не 35
3. Приготовление образцов из смеси 4Не+ *%е...... 39
Глава III. Теплопроводность образцов из чистого Процессы возврата -... 45
1. Теплопроводность исходных образцов. Результаты и обсуждение 45
2. Методика измерений теплопроводности деформированных образцов гелия 54
3. Теплопроводность пластически деформированных образцов 4Не 55
4. Процессы возврата в образцах чистого 4Не 67
5. Обсуждение результатов 76
Глава ІV. Теплопроводность деформированных образцов и процессы возврата в них 81
1. Теплопроводность образцов , содержащих примесь 81
2. Возврат в пластически деформированных образцах из смеси 4Не+3Не 89
3. Обсуждение результатов 99
Заключения и выводы 105
Литература 108
- Свойства гелия
- Конструкция прибора и термометрия
- Теплопроводность исходных образцов. Результаты и обсуждение
- Теплопроводность образцов , содержащих примесь
Введение к работе
Актуальность темы. 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 G , молярный объем Vh , температуру плавления 1ил) от опыта к опыту в одном 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 %1е, 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/) . Квалтовые 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 Не в "%е и обнаружены эффекты квантового туннелирования атомов примеси при малых концентрациях /5/ и локализация примесонов при больших концентрациях (д;5%) /6/. Свойства дислокаций в гелии были излечены гораздо слабее. Ультразвуковые исследования /7/ показали, что при низких температурах звук в гелии сильно затухает и это можно было объяснить рассеянием звуковых волн на дис- лонациях. 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 евежевведенных дефектов в твердом гелии довольно высока. Это позволило исследовать кинетику процессов возврата как в образцах чистого %е так и в образцах, содержащих примесь атомов Не.
Таким образом цель диссертационной работы заключалась в изучение теплопроводности совершенных гелиевых кристаллов, выращенных при давлении близком к минимальному, и в исследовании влияния пластической деформации на теплопроводность образпов гелия и свойств дефектов, вводимых в объем при деформации кристаллов из чистого Не и из смеси %е + ^Ъе. 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 образца ниже IK в течение нескольких CVTOK.
Основные положения, представляемые к защите состоят в следующем:
Измерение температурной зависимости коэффициента теплопроводности совершенных кристаллов из чистого %е, выращенных в тонких капиллярах при давлениях близких к минимальному давлению затвердевания.
Исследование влияния пластическое деформации на теплопроводность образцов из чистого чЗе и из смесей "Не + %е.
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 Не диаметром 1мм и 1.8мм, выращенных из сверхтеку- чей жидкости при давлении 2.6 атм. Наблюдено развитое пуазейлевское течение фононного газа в образцах диаметром 1мм.
Изготовлен прибор, позволяющий проводить контролируемую деформацию совершенных гелиевых кристаллов.
Получены данные о влиянии пластической деформации на теплопроводность образцов гелия.
Обнаружено и изучено явление возврата теплопроводности в пластически деформированных образцах гелия. Определена эффективная энергия активации процессов возврата в образцах, выращенных при разных давлениях.
Обнаружено, что введение примеси jHe до 0.5% в образцы %е 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.
Проведены измерения теплопроводности сверхтекучего гелия-4 с содержанием примеси Не до 0.5/О 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 устаг новок, в которых теплопередающей средой является гелий.
Материалы, вошедшие в диссертацию были представлены на Всесоюзной конференции по физике низких температур (Харьков 80j , 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 гєлрія (Вакуриани 82, 84) и докладывались на семинарах в ИФП АН СССР, Ж АН СССР, ИАЭ АН СССР. По материалам диссертационной работы имеется 4 публикации /8-II/.
Свойства гелия
Гелий - вещество с удивительными свойствами - вот уже в течение нескольких десятилетий привлекает к себе внимание физиков. Интерес к свойствам гелия послужил,по-существу, началом нового направления физики - физики низких температур. Пожалуй самое необычное его свойство заключается в том, что гелий остается жидким при давлении насыщенных паров вплоть до абсолютного нуля температуры в отличие от всех других известных веществ. Твердый гелий существует только при повышенных давлениях: Р 25 атм для %е и Р 29 атм для
Не. В настоящее время фазовые P-V диаграммы для обоих изотопов подробно изучены различными методиками. На рис.1 приведена фазовая Р-Т диаграмма Не до давления 85 атм. При построении диаграммы использовались результаты работ Грилли /12/, Грилли и Милеа /13/ и Богоявленского и др. /14/. Зависимость молярного объема от давления затвердевания показана на рис.2а /12,13/. Кривая I соответствует молярному объему чистого %е, а 2 - смеси %е +5% Не, построенная на основе результатов Мулина /15/. Как видно, твердый гелий обладает большой сжимаемостью.
Твердый гелий хороший диэлектрик и поэтому обладает только решеточной теплоемкостью. Экспериментальные результаты по теплоемкости хорошо описываются в рамках классической дебаевской модели, т.е. теплоемкость С М /Q) /16,17/. В общем случае температура Дебая
Q зависит от температуры измерений, но при температурах /Q 0.03 значения О постоянны вплоть до Т=0К /16/. На рис.36 мы приводим значения v в нуле температуры в зависимости от молярного объема.
При давлениях близких к минимальному ( Р&25 атм) на свойствах кристаллов Не могут сильно сказаться квантовые эффекты. Андреев и Лифшиц /4/ и Гюйе /18/ показали, что из-за большой величины амплитуды нулевых колебаний атомов около положения равновесия в кристаллах
Конструкция прибора и термометрия
Все эксперименты были выполнены на установке принципиально не отличавшейся от уже применяемых ранее для изучения свойств твердого гелия /2-,55/. Для создания температур до 0.4К применялся реф-рижератор Не. В бачок Не объемом І50 см конденсировали 50-70 литров газообразного гелия. Этого количества Hfe было достаточно для проведения экспериментов при температурах ниже ІК в течение недели без дополнительной конденсации. Откачку паров Не из бачка выполняли с помощью двух насосов включенных последовательно. Первый насос - ДРН-50, второй - насос ЯНВР-5Д, герметичный Труба от-качки паров Не, проходящая в криостате, для уменьшения теплопод-вода к бачку с "Не и ослабления тепловой связи бачка с ванной Не была защищена вакуумным кожухом. Мы могли оставлять прибор в тече-ниє 10-15 часов без откачки паров Не из бачка и "Не из криостата и при этом температура бачка возрастала от 0.4К до 0.9К. Это позволяло нам поддерживать длительное время в приборе температуру ниже ІК.
Перед нами стоял вопрос: как проводить контро лир /емую пластическую деформацию гелиевых кристаллов? В литературе имелись сведения о деформации гелиевых кристаллов /61/674/, но в этих экспериментах деформировали короткие и толстые образны, которые неудобны для измеренгш теплопроводности. Кроме того, вмороженные в гелий приспособления для деформации, создали бы дополнительные трудности при выращивании совершенных образцов и измерении их теплопроводности! После нескольких пробных экспериментов /75/ г.тьт применили новый, ранее не использованный способ деформирования твердого гелия. Герметизацию насоса 2НВР-5Д выполнил В.Н.Хлопинский.
Конструкция низкотемпературной части прибора условно показана на рис.5. Амш/ла А, в которой растили образцы твердого гелия, была изготовлена из холоднотянутого капилляра длиной л: 15 см. В экспериментах использовали две ампулы: первая А у изготовлялась из никелевого капилляра 0 1.2x0.1 мм и вторая - Ар из капилляра из нержавеющей стали 0 2.2x0.2 мм. Капилляры предварительно изгибали на гааб- лоне диаметром л; 7 см. Медный холодопровод М, от которого начинал расти кристалл, был впаян в широкую крышку, которое оканчивалась ампула. Холодопровод соединял ампулу с медным бачком с жидким Не. Сверху в ампулу входил тонкий витой капилляр К 0 0.3x0.1 і.аі длиной 2 метра, цпущий от наружной линии высокого давления. Для отвода тепла, идущего сверху по капилляру К к ампуле,капилляр через медный стержень 0 1.5 мм и длиной 25 см находился в тепловом контакте с бачком с жидким Не. Это оказалось очень удобно при проведении длительных экспериментов с образцами, выращенными из сверхтекучего гелия. Давление в ампуле создавали газификатором, описанном в рабо-те Ткаченко и Филимонова /76/. Ампула А, бачок с жидким Не и капилляр К располагались внутри вакуушой камеры. Температуру ампулы можно было непрерывно поддерживать в течение нескольких суток ниже ІК
Теплопроводность исходных образцов. Результаты и обсуждение
При постановке задачи диссертационной работы исследованию теплопроводности образцов твердого Бе, выращенных в изогнутом в полукольцо капилляре уделялось большое внимание. Дело в том, что было неясно: і) можно ли в изогнутом в полукольцо капилляре вырастить совершенный кристалл; 2) можно ли в капилляре диаметром 1мм наблюдать пуазейлевское течение фононного газа, так как все предыдущие наблюдения были выполнены на ампулах диаметром 2.5мм и более, а в ампуле 0 1.6мм при Р 80 атм пуазейлевское течение не наблюдалось /85/.
На рис.10 показана температурная зависимость коэффициента те плопроводности трех лучших образцов выращенных в ампуле Ат. Как видно из рисунка, уменьшение давления затвердевания ведет к увеличению наклона низкотемпературной ветви кривой Ъе-Ст) , т.е. температурная зависимость se(77 при Т ! _„_ изменяется от Э2 Т для образца, выращенного при Р=84- атм до эе I для образца, вы ращенного при 26 атм. Эффективные длины свободного пробега фононов в этих образцах, оцененные по формуле (6) показаны на рис.11. Пони жение давления затвердевания до 26 атм привело к возрастанию макси мального значения э - и - &f f . Вблизи Т -Э Ф 1мм и уменьша ется с понижением температуры. Для образцов, выращенных при 26 атм судя по температурной зависимости Э / и по величине -c ff 7 можно говорить, что поведение теплопроводности в области Т Т _„_ определяется возникновением пуазейлевского течения фононного газа при наложении градиента температуры. В образца, выращенном при 84 атм, наклон низкотемпературной кривой Э2 w) близок к / , что связано с проявлением переходного режима течения фононного га за от кнудсеновского ЭВ Т к пуазейлевскому 92 -1 . Для наблюде ния развитого пуазейлевского течения при эт.ом давлении диаметр ам
Теплопроводность деформированных образцов и процессы возврата в них 81
Теплопроводность образцов , содержащих примесь
Теплопроводность образцов %е, содержащих примесь Не. Исследование теплопроводности пластически деформированных образцов из смеси "Не + Не были предприняты для выяснения механизмов возврата и ра.ссеяния фононов на введенных при изгибе дефектах. Наблюдаемые значения дополнительного теплового сопротивления в чистых образцах %е можно объяснить предположив, что і/И обусловлено в основном рассеянием фононов на колеблющихся дислокациях. Поэтому наличие примеси в объеме кристалла могло бы сказаться на свойствах дислокаций и;в принципе, привести к их закреплению (пиннингу . Перед началом исследований считалось /44/, что введение 0.15% примеси Не в Не существенно изменяет механизм рассеяния фононов на дислокациях: от рассеяния на колеблющихся дислокациях в чистом %е до рассеяния на упругих полях напряжений неподвижных дислокаций в образцах из смеси. Из результатов измерений ультразвуковых колебаний /87/ в кристаллах Не следовало, что введение 0.03 Не приводит к креплению дислокаций. Однако в этих работах /44,87/ исследовались взаимодействия звука и фононов с ростовыми дислокациями а их свойства отличаются от свойств евежевведенных. Поэтому было не ясно как повлияет введение примеси на теплопроводность деформированных гелиевых образцов.
Образцы ііе с различной концентрацией Не мы исследовали только в ампуле Ап. Результаты измерений также как и для чистого Не удобно рассматривать по разным давлениям затвердевания.
