Способ анализа физических свойств жидкого гелия

 

Изобретение относится к области физических исследрваний квантовых жидкостей и квантовых кристаллов, в частности к способам анализа физических свойств жидкого Не. Цель - повышение информативности способа путем обеспечения возможности опре- ,. деления №1кроконцентраций изотопа Це в при низких теьтературах. Способ включает введение в исследуеьгом жидкий гелий плоской пластины из пьезоэлектрического мат.ериала, имсмощеГ; сдвиговую моду колебаний, охлалодение жидкого гелия до температуры скачкообразного изменения температурной зависимости высшей частоты точки пересечения амплитудно-частотных характеристик , измерение температуры скачка, по которой спомощью кривой расолоения изотопов гелия определяют концентрацию изотопа Не. Особенностью устройства является широкий диапазон изменения температуры жидкого гелия, включакнций область температур 10 - .10 К, что позволяет реализовать основную идею изобретения, заключающуюся в использовании для определе- , ния концентрации Не в Не явления расслоения изотопов в жидком гелии, возникающего в указанной области, температур . 4 ил. SS

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (19) (И) 1 ш 4 G 01 N 11/00, 15/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

R0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4110409/31-25 (22) 16.06.86 (46) 15.07.88. Бюл. и 26 (71) Московский физико-технический институт (72) А.П.Боровиков и Н.Н.Боровикова (53) 532. 137(088.8) (56) Bishop I.М., Cuttor D.M., Not А.С., Meatley I.Ñ. I. Low Temp

Phys. 1973, 10, 379.

Боровиков А.П. ПТЭ. 1976, I с. 184., (54) СПОСОБ АНАЛИЗА ФИЗИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ (57} Изобретение относится к области физических исследований квантовых жидкостей и квантовых кристаллов, в частности к способам анализа физи ческих свойств жидкого Не. Цель— ь повышение информативности способа путем обеспечения возможности опреФ деления микроконцентраций изотопа Не в Не при низких температурах. Способ включает введение в исследуемъЯ жидкий гелий плоской пластины иэ пьезоэлектрического материала, имеющей сдвиговую моду колебаний, охлаждение жидкого гелия до температуры скачкообразного изменения температурной зависимости высшей частоты точки пересечения амплитудно-частотных характеристик, измерение температуры скачка, по которой с помощью кривой расслоения изотопов гелия определяют концентрацию изотопа Не. Особенностью уст- .

1 ройства является широкий диапазон изменения температуры жидкого гелия, включакиций область температур 10

10 К, что позволяет реализовать основную идею изобретения, заключающуюся в использовании для определения концентрации Не в Не явления з расслоения изотопов в жидком гелии, возникающего в укаэанной области температур. 4 ил.

1409891

Изобретение относится к физическим исследованиям квантовых жидкостей и квантовых кристаллов, в частности к способам анализа физических свойств 5 жидкого Не, и может быть испольэова3

1 но для определения микроконцентрации изотопа Не в Не при низких темпераб 3 гурах.

Недостатком известного способам яв10 ляется его невысокая информативность, так как он позволяет определить только вязкость жидкого гелия (Не) .

Целью изобретения является повышение информативности способа.. путем,15 обеспечения возможности определения

7. кроконцентраций примеси изотопа, Не в Не.

Особенностью предложенного способа является более широкий диапазон 20 изменения температуры жидкого гелия, включающий область температур 10.

10 К. Это позволяет испольэовать для определения концентрации Не в З Не явление расслоения изотопов в жидком гелии, возникающее в указанной области температур. При этом из-за малого количества Не в растб воре его хватает лишь на то, чтобы образовать на поверхности твердьгх тел30 в жидком гелии пленку, богатую Не, б что приводит к проскальзыванию поверхности пластины (пьезорезонатора) относительно жидкости, т.е. к изменению-присоединенной массы жидкости.

Вследствие этого на зависимости

1 частоты точки пересечения АЧХ (пластины) от температуры возникает скачок частоты. При температуре выше тем( пературы расслоения изотопов f по- 40

1 стоянка, не, зависит от температуры (как и в прототипе), так как для ньютоновских жидкостей действительная и мнимая части сдвигового импеданса пластины, представляющего со- 45 бой отношение сдвигового напряжения, 1 испытываемого поверхностью пластины из-за реакции среды (жидкого гелия) на движение поверхности пластины, к скорости пластины, равны между собой. 50

Это приводит к тому, что уширение резонансной кривой пьеэорезонатора в жидкости из-за ее вязкости в точности компенсируется на уровне f понижением резонансной частоты пьезорезонатора иэ-за присоединенной мас- I сы жидкости. При понижении температуры ниже температуры расслоения изо-топов происходит резкое изменение значения f, вследствие осаждения 48е на пластину и возникновения явления проскальзывания поверхности пластины относительно жидкости, что приводит к изменению присоединенной массы жидкости. Определив температуру расслоения изотопов гелия, молярную концентрацию Не в Че находим с помощью б 3 кривой расслоения изотопов по формуле

0 86Т" и одаб/

4 е, . (1) где Т* — наиниэшая температура окончания резкого изменения f от Т (фиг. 3) .

На фиг. 1 показано устройство, реализующее предложенный способ; на фиг. 2 — амплитудно-частотная характеристика (f> — резонансная частота,f, — частота точки пересечения АЧХ, зарегистрированных при раз- личных температурах жидкого гелия); на фиг. 3 — зависимость частоты f ! от температуры; на фиг. 4 — кривая расслоения изотопов гелия.

Устройство для измерения АЧХ пьезорезонатора (фиг. 1) содержит измерительную камеру 1 в криостате 2 растворения. В камеру 1 конденсируют через капилляр 3 исследуемый раствор Не — Не, анализируемый с помощью пьезорезонатора 4 (пластины иэ пьезоэлектрического материала). Напряжение треубемой частоты с синтеза гора 5 подают на делитель из сопротивлений

R .,(6) — R,(7), а проходящий через пьезорезонатор ток преобразуется с помощью трансформатора 8 в напряжение, которое измеряют с, по- мощью вольтметра 9. Температуру в камере 1 контролируют термометром 10 сопротивления. АЧХ пьеэорезонатора 4 получают, регистрируя показания вольтметра 9 в зависимости от частоты синтеза тора 5. По снятым АЧХ определяют Е, — частоту точки пересечения АЧХ (фиг. 2) и строят зависимость f < от температуры. При этой температуре скачка Т* практически весь Не выпадает на стенки

4 камеры 1 и пьеэорезонатора 4. На фиг. 4 рабочий участок находится в правой (ЗНе) части диаграммы расслоения изотопов 4. Стрелкой м показано охлаждение исследуемого раствора НеЯ

Ф

Не ДОТ*, при которой Не вццеляется иэ Не в виде 6Х-ного раствора з

4 з

Не- Не (стрелка b) на внутренней по верхности камеры 1, в том числе и на пьезорезонаторе 4. Согласно формуле

140989 1 на стенки камеры, при этом изменение

f составляло величину 40 Гц (фиг.3) . Вычисленная из соотношения (1), описывающего кривую расслоения Не- Не

5 при сверхнизких температурах, ) составляла 7 10Г . Предложенным способом

5 определялась также вязкость гелия Не.

Расчеты проводились исходя из значения

f по формуле (2). Для конкретного з примера вязкость Не в ниэкотемпературном пределе равна % =2,5 ° 10 1/Т .

По сравнению с прототипом изобретение обладает более высокой информативностью, так как позволяет определять помимо вязкости жидкого Не мик3 роконцентрацию изотопа Не в Не. Кроме того, концентрация Не измеряется непосредственно в жидком Не, 2б что важно при проведении экспериментов по проверке предсказаний теории квантовых жидкостей и кристаллов.

По сравнению с аналогом расширена диапазон измерения концентраций Не

25 в Не вплоть до 10

m,ш., р,р - соответственно масса и плотность атомов Не и Не, Пример. Исследовали газооб- д0 разный Не с содержанием Не =7 »

Ъ у 10 . Камера объемом 1 см со смесью изотопов гелия размещалась в криостате растворения Не — Не. Исследуез мый Не конденсировался через капил- 1

35 ляр IxO 2 мм в камеру с находящимся в ней круглой пьезопластиной AT-среза кристалла кварца (толщиной 0,03 см, диаметром 1,25 см) и полупроводниковым термометром 10 сопротивления ° Ка- 4 мера 1 с гелием непрерывно охлаждалась до температуры -10 К (6) . Напряжение частотой 15 мГц с синтезатора Чб-31 подавалось на пьеэорезонатор 4 через делитель сопротивлений R)=3 KOM H R 45

=0,1 Ом, а напряжение на пьезорезонатор е и змерялос ь с помощью вол ьтметра через трансформатор. Во время охлаждения исследуемого жидкого Не снимались АЧХ находящейся в нем пьезопластины, а затем строилась зависимость f от температуры. В проведен1 ном эксперименте с 1 =7 ° 10 при Т=

=0,95 К заканчивалось выпадение Не (1) область. температур, при которой меняется от 10 до 10, заключена в-пределах 0,1-0,041 К. Предельная концентрация, которая может быть измерена указанным способом, определяется образованием пленки жидкого Не

Ф минимально возможной толщины на внутренней поверхности камеры с жидким

Не. Для цилиндрической камеры диаметром D и высотой с ооъемом V=

=30 см пленка жидкого Не толщиной о

5А (эта толщина еще будет приводить к явлению проскальзывания поверхности пьеэопластины относительно жидкого He, т.е. к скачку f<) будет обра3 зована при концентрации Не в Не

Ф 3

-7 4

10 . Так как практически весь - Не из жидкого Не выпадает в пленку, то

1 толщина пленки и связана с параметрами жидкого Не и Не и конструктивныз а ми размерами камеры соотношением р /m4SÜ= 3< f /m V, (2) где V — объем камеры;

S — площадь внутренней поверхности камеры;

Формула изобретения

Способ анализа физических свойств жидкого гелия, заключающийся в том, что вводят в исследуемый жидкий гелий плоскую пластину из пьезоэлеЪтрического материала, возбуждают в ней сдвиговые колебания, затем охлаждают жидкий гелий и регистрируют амплитудно-частотные характеристики пластйны и час-. тоту точки пересечения амплитудно-частотных характеристик в зависимости от температуры жидкого гелия, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения информативности способа путем обеспечения возможности определения микроконцентраций примеси изотопа Не в Не, охлаждение жидкого Не про

3 изводят до температуры скачкообразно го изменения температурной зависимости частоты точки пересечения амплитудно-частотных характеристик обусловленного осаждением изотопа Не на поверхность пластины, измеряют температуру скачка, по которой с помощью кривой расслоения изотопов гелия определяют концентрацию изото па Не.

1409891

1409891

0A ffe

Составитель В.Филатова

Редактор М.Келемеш Техред А.Кравчук Корректор Э.Лончакова .

Заказ 3471/38 Тираж 847 Подписное .ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1)3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5.

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4