Нестационарный теплообмен твердых тел с жидким гелием

• Автор: Порошин, Владимир Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1985
• Место защиты: Киев
• Количество страниц: 142 c. : ил

I. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ТЕПЛООБМЕНА

ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ЖИДКИМ ГЕЛИЕМ

1.1. Стационарный теплообмен твердых тел с Не1 . . б

1.2. Стационарный теплообмен твердых тел с Ней

1.3. Нестационарная теплоотдача в жидкий гелий

1.4. Цель и задачи исследований

П. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ., ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И

ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ

2.1. Метод измерения нестационарной теплоотдачи в жидкий гелий из тонкой металлической пленки

2.2. Выбор материала подложки

2.3. Выбор детектора неравновесных фононов

2.4. Температурная динамика тонкопленочных нагревателей и болометров
2.5. Приготовление подложек и нанесение пленок
2.6. Экспериментальная установка для измерения нестационарной теплоотдачи в жидкий гелий из тонкой металлической пленки
2.7. Распространение тепловых импульсов в кристаллах сапфира
ш. НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛООТДАЧА В аИДКИЙ ГЕЛИЙ ИЗ
МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ
3.1. Влияние контакта нагревателя с вакуумом и с жидким гелием на форму и амплитуду импульсов баллистических фононов
3.2. Температура пленочного нагревателя в вакууме
и в жидком гелии
3.3. Нестационарный теплообмен тонкой металлической пленки с жидким гелием
3.4. Теплоотдача к жидкому гелию при отсутствии его кипения
1У. ТЕПЛОВОЙ ВОЗБУЖДЕНИЕ ВОЛН ПЕРВОГО И ВТОРОГО ЗВУКОВ В ЖИДКОМ ГЕЛИИ
4.1. Механизм и эффективность теплового возбуждения волн первого и второго звуков В ЖИДКОМ Не
4.2. Влияние динамики образования, расширения и захлопывания паровых полостей на поверхности нагревателя на форму возбуждаемых звуковых
волн
4.3. Время жизни паровых полостей на поверхности нагревателя
Основные результаты работы и направления дальнейших исследований
Литература

- 4 -
Использование уникальных свойств твердых тел при гелиевых температурах ^ сверхпроводимости, одночастичного и двухчастичного туннелирования, отрицательного объемного сопротивления в полупроводниках, возникающего из-за изменения концентрации носителей тока и их подвижности при понижении температуры, инверсии подвижности и типа проводимости и т.д.) стимулировало в последние годы исследование процессов теплообмена твердых тел с жидким гелием и процессов теплопередачи в нем. Это обусловлено тем, что знание процессов теплообмена необходимо для оптимизации процессов захола-живания, поддержания тепловыделяющих элементов криогенных устройств в заданном температурном режиме и расчета времени установления теплового равновесия в них.
Кроме этого, исследования процессов теплообмена твердых тел с гелием имеет и чисто научный интерес, поскольку они позволяют получать информацию о взаимодействии тепловых возбуждений контактирующих двух сред, о динамике фазовых переходов жидкость - пар. Процессы теплообмена очень чувствительны к состоянию поверхности твердого тела, поэтому их исследование обещает стать мощным инструментом изучения свойств самой твердой поверхности.
Отметим, что если при температурах выше Тд = 2,17 К жидкий гелий ведет себя как обычная классическая жидкость, то при температурах ниже Тд гелий является квантовой жидкостью (Нв Л ) ,
что обуславливает ряд его специфических, в том числе и тепловых, свойств. Самым важным из них является возникновение под действием перепада температур особого рода макроскопического движения (типа конвекции) , что приводит к сверхтеплопроводности гелия. Распространение тепловых возбуждений в Ней , в отличии от других сред, носит волновой характер, что приводит, с одной стороны, к большим скоростям отвода тепла от поверхности теплообмена, с друПри напылении меди использовались испарители, изготовленные из вольфрамовой проволоки диаметром 0,3 мм в виде спирали. Температура подложки составляла ~ 300 К. Нагрев металлической пленки меди при изучении нестационарного теплообмена ее с жидким гелием в наших экспериментах осуществлялось импульсами электрического тока, поэтому основным параметром пленки является ее электрическое сопротивление. Оно должно быть равным при температуре эксперимента выходному сопротивлению используемого генератора импульсов тока. В связи с этим в процессе нанесения пленки измерялось ее сопротивление. Отметим, что поскольку электрический ток влияет на условия зародышеобразования пленки на начальных стадиях ее роста приблизительно до 500 А и может быть причиной ее теплового разрушения /63/, измерение сопротивления пленок осуществлялось при малых (~1 мА) измерительных токах спустя некоторое время после начала напыления.
Измерение сопротивления Я позволяет также грубо оценить толщину пленки по соотношению:
Я = (Я-1^(1 , (2.19]
где £ и 'ИГ длина и ширина пленки, если известно ее удельное сопротивление (Г1 и оно не меняется с толщиной пленки. В действительности, удельное сопротивление пленки увеличивается с уменьшением ее толщины (при комнатной температуре это изменение существенно для пленок толщиной 2 - 300 А /63/) и может отличаться от удельного сопротивления объемного материала. Более точно толщина пленки определялась нами по массе испарившегося вещества и расстоянии от испарителя до подложки. Толщина пленок меди площадью 1-9 мм и сопротивлением ~ 50 Ом составляла 1500 А,
Электрические контакты к пленкам были изготовлены предварительно следующим образом. На очищенную поверхность кристалла сапфира наносилась капля серебряной пасты диаметром ~2 мм, вжига-ние которой осуществлялось в печи при температуре 800 С в атмосфе-