Капиллярные явления в кристаллах 4He

• Автор: Шемятихин, Дмитрий Борисович
• Шифр специальности: 01.04.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 99 с. : ил.

Оглавление
Введение
Постановка задачи
1.1 Равновесная форма кристалла
1.2 Энергия вицинальной поверхности
1.3 Рост грани кристалла
1.4 Минимизация полной энергии
1.5 Обзор экспериментальных результатов
1.6 Экспериментальные данные по поверхностной жесткости 4Не
Эксперимент
2.1 Экспериментальная установка
2.2 Калибровка и тестирование фотоаппарата
2.3 Дифракционная картина
2.4 Ход эксперимента
Обработка результатов и обсуждение
3.1 Обработка фотографий
3.2 Результаты
Приложение
Список литературы

Введение
Капиллярные явления обычно присущи жидкостям, однако в ряде случаев могут наблюдаться и в кристаллах. Существенным отличием является то, что в кристаллах нет кинетического механизма, обеспечивающего практически бездиссипативный перенос вещества из одного места (скажем, с угла) в другое. И даже у кристалла, находящегося в равновесии с расплавом, конечный кинетический коэффициент роста препятствует образованию равновесной формы, образец растет в тех направлениях, где этот коэффициент больше. Можно ожидать наблюдение капиллярных эффектов в классических кристаллах лишь у микроскопических образцов. Чем их размер меньше, тем больше кривизна поверхности и, следовательно, больше движущая сила, стремящаяся изменить форму кристалла. Кроме того для формирования у малого кристалла поверхности равновесной формы требуется перенести гораздо меньше вещества. И действительно, исследователям удалось наблюдать изменение формы кристалла в сторону равновесия лишь у микроскопических кристаллов парафинов (например, Клия [1]) и металлов (см. например Metois и Heyraud [2]). В ряде случаев наблюдалась огранка (например, Jackson и Miller [3]). Однако надежных доказательств достижения равновесной формы не существует.
Совершенно отдельно стоит кристалл 4Не. У него отсутствует большинство барьеров, связанных с кристаллизацией. Во-первых, благодаря квантовым эффектам, кинетический коэффициент роста кристалла при низких температурах становится аномально большим для всех направлений за исключением нескольких выделенных. Во-вторых, при достаточно низкой температуре кристалл окружен сверхтекучей жидкостью, которая

может бездиссипативно переносить массу. И в-третьих, мала теплота кристаллизации. В итоге кристалл 4Не может принять равновесную форму очень быстро, в ряде случаев за времена порядка секунд.
Яркой иллюстрацией капиллярных эффектов в 4Не является наличие кристаллизационных волн — колебаний поверхности кристалла, обусловленных его быстрым ростом и плавлением, в то время как кристаллическая решетка остается неподвижной (Андреев и Паршин [4], Кешишев, Паршин, Бабкин [5, 6]).
Согласно современным теоретическим представлениям, анизотропия поверхностной энергии вицинальных направлений определяется элементарными ступенями и их взаимодействием. Измерение равновесных профилей при таких ориентациях позволяет сделать количественные оценки энергии ступени и энергии взаимодействия ступеней. Исследованию формы менисков кристалла 4Не вблизи грани (0001) посвящена данная диссертация.
Было обнаружено, что в диапазоне температур 0,5<Т'<0,9К при не слишком малых углах (кристаллографическая ориентация 0,01 < в < 0,1 рад.) профили менисков описываются гиперболическими функциями, что соответствует отсутствию анизотропии поверхностной жесткости. В то же время, в этой области углов был обнаружен линейный по в вклад в поверхностную энергию и измерена температурная зависимость коэффициента при этом члене. Кроме того была обнаружена и оценена анизотропия энергии стекло-кристалл 4Не.
Диссертация организована следующим образом. Первая глава посвящена теоретическому рассмотрению равновесной формы кристалла, ее зависимости от температуры. Обсуждены проблемы, связанные с получением равновесной формы. Рассмотрен случай, когда кристалл ограни-

кожухом из плотной ткани, окутывающим весь оптический тракт установки.
Экспериментальная камера представляет собой горизонтально расположенный цилиндр из феррохрома Н47ХБ длиной 29 мм и диаметром 19 мм (см. рис. 10). В торцы камеры с помощью разборного индиевого уплотнения вмонтированы оптические плоскопараллельные окна из К-8 (3) толщиной 3,5 мм. В нижнюю часть камеры вмонтировано медное плоское полированное дно (4), находящееся в тепловом контакте с рефрижератором посредством гибкого медного холодопровода, состоящего из 48 тонких медных полос толщиной 22 мкм (6). К холодопроводу припаян 1 к!2 ИиОг термометр (8). Точно такой же термометр был поставлен на камеру откачки 3Не.
В отверстие в верхней части камеры впаян тонкий капилляр (9) 00,25x0,08, служащий для заполнения камеры рабочим веществом. Для уменьшения теплопритока по капилляру, заполненному сдавленным сверхтекучим гелием, он был припаян оловянным припоем к камере откачки 3Не. Такая мера позволила существенно уменьшить теплоприток к экспериментальной камере.
Внутри камеры в верхней ее части расположен конденсатор (10), представляющий собой диэлектрический цилиндр 0 0,8 мм, на который бифи-лярно в один слой намотаны два провода 0 30 мкм в капроновой изоляции. При включении напряжения между проводами ~1,2кВ напряженность поля между соседними витками составляет величину ~106В/см. Такое поле использовалось для получения ориентированных образцов по ранее разработанной методике [6]. Провода введены в камеру через стеклянные изоляторы, тепловой коэффициент расширения которых согласован с коэффициентом феррохрома.