Ви є тут

Фазова діаграма та масоперенос при розшаруванні у твердих розчинах ізотопів гелію

Автор: 
ПЕНЗЄВ Андрій Олександрович
Тип роботи: 
Дис. канд. наук
Рік: 
2003
Артикул:
0403U001507
99 грн
(320 руб)
Додати в кошик

Вміст

РАЗДЕЛ 2
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЙ КВАНТОВЫХ КРИСТАЛЛОВ ПРИ
СВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
В данной диссертационной работе все эксперименты проводились
с использованием автоматизированной установки для исследований
квантовых кристаллов при сверхнизких температурах, которая состоит
из:
рефрижератора растворения изотопов гелия;
системы защиты от вибраций и электромагнитного излучения;
системы термометрии;
экспериментальной ячейки с коммуникациями для создания вы-
сокого давления;
автоматизированной системы управления ходом эксперимента,
сбора и обработки данных.
Измерительная часть, алгоритмы и программное обеспечение разра-
ботаны для тех физических задач, которые решались в процессе иссле-
дований твердых растворов 3Не - 4Не с помощью прецизионных изме-
рений давления. Следует отметить, что описываемая установка может
быть использована для решения большого круга задач, возникающих
при исследовании различных конденсированных систем при сверхниз-
ких температурах.
Для уменьшения вибраций установка смонтирована в специальном
здании, построенном из крупных бетонных блоков и не связанном с
42
фундаментом и стенами основного здания. Основным элементом ви-
брационной защиты [83] является полуторатонная платформа, к кото-
рой крепится криостат. Платформа вместе с криостатом подвешена на
восьми пеньковых канатах длиной 6 м к швеллерным балкам, распо-
ложенным под потолком. Груз платформы выбирался таким образом,
чтобы резонансная частота вертикальных колебаний fvert не совпада-
ла с частотой ни одного из основных источников вибраций. Специаль-
ные измерения показали, что fvert составляет 6.5 Гц, что согласуется
с расчетом [83]. Естественно, эта величина может быть уменьшена за
счет увеличения массы платформы. Измеренное значение резонансной
частоты горизонтальных колебаний fhor составило 0.25 Гц, что также
находится в хорошем согласии с простой оценкой по формуле для ма-
тематического маятника.
Измерения амплитуды колебаний платформы проводились с помо-
щью акселерометра [84], для двух положений платформы - когда она
подвешена на канатах и когда она арретирована (находится на специ-
альных суппортах). Главным источником вибраций на частотах выше
10 Гц являются компрессоры ожижительного зала, расположенного на
растоянии ~ 100 м. Было установлено, что амплитуда колебаний плат-
формы в подвешенном состоянии уменьшается в 40-50 раз по сравне-
нию с арретированным состоянием и вдали от резонанса составляет
0.01 мкм, а вблизи ~ 0.2 мкм. Для уменьшения передачи вибраций по
откачным линиям, последние были выполнены с применением металло-
рукавов и сильфонных развязок.
Требования к радиочастотной защите установки были обусловлены
близостью телерадиотрансляционного передатчика. С целью уменьше-
ния высокочастотных помех, оказывающих влияние как на предельно
достижимую температуру рефрижератора, так и на показания термо-
метров сопротивления, используемых на установке, лабораторное по-
мещение было обшито медными листами толщиной 0.3 мм. При полной
экранировке помещения ослабление радиочастотного сигнала на часто-
те 100 кГц (скин-слой 30 мкм) достигало 120 Дб.
42.1. Рефрижератор растворения
В настоящее время наибольшее распространение в лабораторной
практике сверхнизких температур получили рефрижераторы раство-
рения. Предложенный метод охлаждения [85], основанный на исполь-
зовании теплоты смешения двух изотопов гелия, обеспечивает высо-
кую хладопроизводительность и возможность получения и поддержа-
ния сверхнизких температур в течение сколь угодно длительного вре-
мени. Наиболее удачно этот метод впервые был осуществлен в 1966 г.
[86], а реализованная этими авторами схема рефрижератора с внешним
циклом циркуляции 3Не стала наиболее популярной в криогенных лабо-
раториях. Типичным недостатком такого рода рефрижераторов являет-
ся необходимость использования громоздких откачных линий в системе
циркуляции, а также специальных мер, исключающих попадание паров
масла или ртути из насосов в криостат. Кроме того, кипение рабочей
жидкости в насосах вызывает дополнительные вибрации, что нежела-
тельно при использовании рефрижераторов растворения в криостатах
ядерного размагничивания. Эти недостатки отсутствуют в рефриже-
раторах с криогенным циклом циркуляции 3Не, которая может осуще-
ствляться конденсационными либо адсорбционными насосами. Различ-
ные варианты таких рефрижераторов были описаны в [87-92].
Достоинства криогенного цикла циркуляции заключаются, прежде
всего, в стерильности откачки, что существенно понижает вероятность
блокировки капилляров и дросселя различными примесями. В то же
время реализация криогенного цикла требует либо дополнительной си-
стемы с 3Не (в случае использования конденсационных насосов), ли-
бо надежно работающих криогенных клапанов, если циркуляция осу-
ществляется адсорбционными насосами. Циклическая регенерация ад-
сорбционных насосов в рефрижераторах с адсорбционной откачкой
приводит также к повышенному расходу жидкого гелия.
В данном подразделе описываются конструкция и основные харак-
теристики рефрижератора растворения 3Не в 4Не, в котором возможна
44
реализация как внешнего цикла 3Не, так и криогенного цикла, в за-
висимости от условий эксперимента. Описываемый рефрижератор рас-
творения является составной частью криогенного комплекса для физи-
ческих исследований при сверхнизких температурах. Планируется, что
этот рефрижератор будет дополнен ступенью ядерного размагничива-
ния, поэтому при создании комплекса были предприняты специальные
меры по защите от возможных вибраций и высокочастотных помех.
На рис.2.1 схематически показаны основные узлы и элементы ре-
фрижератора растворения. Безазотный гелиевый криостат 1 с внутрен-
ним диаметром 210 мм и длиной внутренней колбы 2.4 м имеет много-
слойную суперизоляцию, что обеспечивает экономный расход жидкого
гелия без дополнительного азотного охлаждения [93]. Градусная ванна
8 откачивается форвакуумным насосом НВ