Способ осуществления и изучения фазового перехода
Иллюстрации
Реферат
Союз Советскик
Социапистичесних
Респубпиы
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
< 1>753319 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 230279 (21) 2727839/18-25 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет
Опубликовано 070931. бюллетень № 33
Дата опубликования описания 07.0981 р )м. к .
Н 01 L 39/24
G 01 и 25/12
Государственный комитет
С,С СР но делам изобретений и открытий (53) УДК 621.326 (088. 8) (72) Авторы изобретения
Г. В. Ермаков и Н. Л. Сорокин
Отдел физико-технических проблем энергетики
Уральского научного центра AH СССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ФАЗОВОГО
ПЕРЕХОДА
Изобретение относится к методам исследования фазовых переходов в конденсированных средах и может быть использовано прн изучении зарождения нормальной и сверхпроводящей фаэ при превращении нормальный металл — сверх проводник.
Известен способ изучения фазового перехода нормальный металл — сверх10 проводник путем измерения среднего значения магнитной индукции по сечению образца и его магнитного момента (1 ).
Укаэанный способ дает возможность изучать магнитные свойства фаз и определять максимальныЕ значения напряженности магнитного поля, достижимые в условиях эксперимента. ОднаКо он не позволяет исследовать возникновение зародышей новых фаэ и слу- 20 чайный характер этого процесса.
Известен также принятый за прототип способ осуществления фазового перехода материала образца иэ нормального состояния в сверхпроводящее или сверхпроводящего состояния в нормальное при заданной температуре путем изменения величины напря><енности внешнего продольного магнитного поля и регистрации перехода по моменту вы- ЗО талкивания или проникновения поля в образец (2 J. При этом наблюдается явление, когда нормальная фаза про— должает существовать в полях, меньших критических, или сверхпроводящаяв полях, больших критических. Это явление — т.н. сверхпроводящие эквиваленты переохлаждения и перегрева.
В данном способе переохлаждение воэникает при фазовом переходе нормальный металл — сверхпроводник в цилиндрическом образце, помещенном в параллельное его оси магнитное поле, при непрерывном медленном понижении напряженности поля ни>хе критического значения. Это достигается медленным увеличением тока в соленоиде, компенсирующем внешнее магнитное поле, вплоть до значения, при котором в катушке, намотанной на образец, возникает электрический импульс, вызванный выталкиванием магнитного поля иэ образца.
Такое техническое решение обладает целым рядом недостатков. Во-первых, вследствие непрерывного изменения напряженности магнитного поля образец переводится в состояния с заметно пониженной устойчивостью, где образование новой фазы облегчено, и допус753319 кает, следовательно, изучение фазового перехода лишь в узкой области фазовых состояний. Во-вторых, фиксируемая в опытах граница метастабильных состояний является неопределенной, так как она существенна зависит от скорости изменения поля и размеров образца. Наконец, наиболее существенным недостатком прототипа является пренебрежение случайным характером фазового перехода. Метастабильная система (нормальный металл при Н с Нс или сверхпроводник при Н > Нс) характезируется пониженной устойчивостью по отношению к образованию конкурирующей фазы. Однако ее возникновение связано с флуктуационным преодолени- 15 ем потенциального барьера, равного работе образования критического зародыша, вследствие чего время существования метастабильной фазы изменяется от испытания к испытанию случайным Щ образом. Его среднее значение зависит от состояния системы (Н,Т) и характеризует ее устойчивость.
Целью изобретения является определение термодинамической устойчивости исходной метастабильной фазы в материале образца по среднему времени ее жизни указанная цель достигается тем, что по предлагаемому способу скачкообразно изменяют напряженность внешнего магнитного поля до величины, выбранной в.интервале от ее критического значения при данной температуре до граничного значения устойчивости исходной фазы и регистрируют временную задержку фазового превращения.
При одних и тех же внешних условиях (Н,Т) измерения времени f многократно и повторяют и по полу.-;еиной выборке случайных чисел судят о сред- 49 нем времени жизни образца в этом состоянии (о его устойчивости) и о характере изучаемого случайного процес.;а. Выбрав другие значения. поля и температуры (Н,Т),, повторяют измерения и таким образом изучают фазовый переход во всей области метастабильных состояний от кривой равновесия до границ устойчивости фаз.
На фиг. 1 приведены гистограммы О опытов по определению средних времен жизни метастабильных фаэ в ртути при температуре 3,6 Е:
1а,- нереохлаждение: Н = 30 Э, n = 255, Р = 6,7 с.
1б> - перегрев: Н = 20 3, и 202, т= Ф0,1 с.
На фи r . 2 дан а з ав исимость среднего времени жизни метастабильных фаэ от напряженности магнитного поля при температуре 3,6 К: 60
2а — переохлаждение, 2б — перегрев, Исследуемый цилиндрический образец располагают по оси магнитной системы, состоящей иэ сверхпроводящего соленоида, задающего внешнее магнитное фЯ поле, вспомогательного соленоида и системы катушек, позволяющих увеличивать (перегрев) или уменьшать (переохлаждение) магнитное поле всего образца или его отдельных частей. Образец и магнитная система полностью находятся в жидком гелии. Для получения образца в переохлажденном состоянии магнитное поле уменьшают с
Н„ > Н до Н < Нс (Нс — напряженность критического поля) йутем отключения вспомогательного соленоида или катушки. Коммутация тока вспомогательного соленоида или катушки осуществляется при помощи реле, благодаря чему перевод в метастабильное состояние происходит менее, чем за 0,05 с. Спустя еще, О, 05 с после установления магнитного поля Н включается частотомер, работающий в режиме измерений времени, Для остановки частотомера используется усиленный сигнал, возникающий в катушке-датчике, намотанной на образец, при выталкивании из него магнитного поля,При заданной температуре. и заданных значениях Н и Н с помощью простой релейной автоматики опыт многократно повторяют, результаты фиксируются цифропечатающим устройством. Аналогичным образом изучается перегрев. При этом вспомогательный соленоид (или катушка) создает дополнительное поле, противоположное полю основного соленоида, и при его отключении поле изменяется от Н (Нс до Н Н с.
На фиг. 1 показано распределение числа переходов нормальный металл сверхпроводник для образца ртути в зависимости от времени существования переохлажденного (фиг. 1с ) и перегретого (фиг. )Д) состояний при температуре 3,6 К. Для обеих. гистограмм характерно появление приблизительно в 60% случаев времен от 0 до 2-5 с.
Большие времена появляются с существенно меньшей и приблизительно постоянной вероятностью. На фиг. 2 показана зависимость среднего времени жизни метастабильных фаз от конечного .поля Н . Таким образом, установлен случайный характер фазового перехода и определена количественная мера устойчивости метастабильных фаэ - среднее время их существования — при различных значениях напряженности магнитного поля.
Наряду с достижением поставленной цели способ позволяет определять значение критического поля (Нс), соответствующего заданной температуре, путем экстраполяции среднего времени жизни к бесконечности (фиг. 2a) и значение поля, соответствуж ее границе устойчивости метастабильной фазы, экстраполяцией среднего времени жизни к нулю (фиг. 2б) . Предлагаемый îño6 дает возможность количествен753319 .
Формула изобретения
150
20 а 10 20 50 10 50 Ю с
Фиг. 1а
12S
115 га
0 0 80 Ма 76О 2ОО t,с
Фиг, 1д. но изучать влияние на устойчивость метастабильных фаз различных факторов: чистоты образца, параметра ГинебургаЛандау, размеров образца, величины начального поля и времени выдержки в нем, скорости изменения магнитного поля, величины тока, проходящего по образцу., вибрации, ультразвука, переменных электромагнитных полей.
Информация о временах существова ния метастабильных фаз необходима при расчете криотронов и сверхпроводящих экранов.
Способ осуществления и изучения фазового перехода материала образца из нормального состояния в сверхпроводящее и из сверхпроводящего состояния в нормальное при заданной температуре 2О путем изменения величины напряженности внешнего продольного магнитного поля и регистрации перехода по моменту выталкивания или проникновения поля в образец, о т л и ч з ю щ и йс я тем, что, с целью определения термодинамической устойчивости исходной метастабильной фазы в материале образца по среднему времени ее жизни, скачкообразно изменяют напряженность внешнего магнитного поля до величины, выбранной в интервале от ее критического значения при данной температуре до граничного значения устойчивости исходной фазы и многократно регистрируют временную задержку фазового превращения.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Роуз-Инс A. Родерик Е. Введение в физику сверхпроводности. М., "Мир", 1972.
2. Линтон Э. Сверхпроводимость.
М., "Мир", 1971, с. 91-99 (прототип).
753319
7,с
Фиг, za и„, Г,с
Заказ б744/63
Тираж 784 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4
Составитель В. Далинин
Редактор И. глубина Техред A. Бабинец Корректор р. Билак