Актуальність теми. Явища, що обумовлені розупорядкуванням, неоднорідностями середовища і домішками, відіграють важливу роль у багатьох областях фізики конденсованого стану. Такі неоднорідності можуть привести до появи цікавих і часто несподіваних нових явищ.

Одним з важливих об'єктів дослідження у фізиці гелію є його кінетичні властивості. Велика різноманітність цих властивостей і значна складність побудови їх теорії обумовлені тісним зв'язком кінетики з характером взаємодії елементарних збуджень. Вперше теорія кінетичних явищ в Не ІІ була запропонована Л.Д. Ландау і І.М. Халатниковим і базувалась вона на експериментах по вивченню в'язкості, які були виконані Е.Л. Андронікашвілі. Не дивлячись на значну кількість робіт, присвячених вивченню різноманітних властивостей гелію, дослідженням впливу неоднорідностей приділялося недостатньо уваги.

Специфіка поширення звуку в надплинній рідині обумовлена наявністю в ній двох компонент - надплинної і нормальної. Це призводить до можливості поширення макроскопічних коливань різної фізичної природи - першого звуку (коливання густини) і другого звуку (коливання температури). У випадку, коли пористе середовище заповнене надплинним гелієм і глибина проникнення в'язкої хвилі набагато більше розміру каналів, нормальна компонента не приймає участі в коливаннях і звук поширюється лише по надплинній компоненті. Така акустична мода отримала назву четвертого звуку.

Вивчення поведінки акустичних мод в пористому середовищі, яке заповнене надплинним гелієм, отримало подальший розвиток при використанні матеріалів з рухливим каркасом, наприклад, високопористої речовини аерогелю. В цьому випадку при збудженні звукових коливань матриця аерогеля і нормальна компонента Не ІІ рухаються одночасно. Ця особливість призводить до існування в такій системі трьох акустичних мод, поведінка яких детально не вивчена.

Єдиною речовиною, яка розчиняється в рідкому ⁴Не є ізотоп рідкого ³Не. У результаті такого розчинення утворюються надплинні розчини ³Не-⁴Не, що набувають нових властивостей. На даний момент залишається відкритим питання про теплову стійкість такої системи. В ⁴Не неможливо створити теплову нестійкість, у наслідок гігантської теплопровідності за рахунок надплинної компоненти. Додавання ³Hе призводить до кінцевого значення теплопровідності, що дає можливість реалізувати різні варіанти нестійкості. Додатковою специфікою цього явища є те, що надплинні розчини ³Не-⁴Не зазнають фазовий перехід першого роду - розшарування. Поява поверхні розділу фаз, згідно теорії, призводить до додаткової нестійкості системи.

Наявність значної кількості невирішених проблем і цікавих ідей, пов'язаних з релаксаційними процесами, акустичними властивостями і тепловою нестійкістю визначають важливість і актуальність проведення систематичних експериментальних досліджень надплинних рідин в неоднорідних умовах. Результати таких досліджень і складають зміст даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відділі квантових рідин та кристалів Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України в межах тематичного плану ФТІНТ ім. Б.І. Вєркіна НАН України за відомчими тематиками: "Неоднорідні та низьковимірні системи у рідкому та твердому гелії" (номер державної реєстрації 0103U000331, термін виконання 2003 - 2005 рр.) та "Нові ефекти у квантових рідинах та кристалах при низьких та наднизьких температурах" (номер державної реєстрації 0106U002557, термін виконання 2006 - 2010 рр.).

Робота також частково проводилась у межах проекту Українського науково-технологічного центру (УНТЦ)"Нейтральні та заряджені наноструктури у рідкому та твердому гелії" (номер 3718, 2007 - 2010 рр.).

Метою даної роботи є експериментальне виявлення впливу різноманітних неоднорідностей на кінетичні властивості та стабільність надплинного гелію і встановлення механізмів такого впливу.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити низку задач:

розробити і створити необхідну експериментальну базу для проведення досліджень властивостей надплинних розчинів при низьких температурах;

розробити систему автоматизації збору і обробки первинних даних;

дослідити акустичні властивості системи аерогель-Hе ІІ;

вибрати адекватну модель для опису поведінки акустичних мод в системі аерогель-Hе ІІ;

визначити коефіцієнт в'язкості Не ІІ за допомогою методу кварцового камертона та провести кількісне порівняння отриманих результатів з кінетичною теорією Hе ІІ;

дослідити різні режими руху елементарних збуджень в надплинному гелії і визначити області переходу між ними;

експериментально дослідити конвективну нестійкість надплинних розчинів ³Не-⁴Не при нагріві знизу;

визначити значення критичних градієнтів температур і концентрацій, що відповідають переходу розчинів в режим теплової нестійкості.

Об'єкт дослідження - акустичні, кінетичні та теплові процеси в надплинному гелії за наявності неоднорідності.

Предмет дослідження - в'язкість Не ІІ, властивості акустичних мод системи аерогель-Hе ІІ і теплова стійкість розчинів ³Не-⁴Не.

Методи дослідження:

низькочастотна резонансна методика для дослідження акустичних мод в системі аерогель-Hе ІІ;

методика кварцового камертона, що коливається, для вимірювання в'язкості Не ІІ;

методика створення градієнтів температури і концентрації.

Наукова новизна одержаних результатів. В ході виконання дисертаційної роботи отримано низку нових наукових результатів, що мають важливе значення для вирішення наукової проблеми з опису кінетичних і колективних явищ, що відбуваються в надплинному гелії в неоднорідних умовах. Серед пріоритетних слід зазначити наступні наукові результати:

1. Вперше побудовано загальну картину еволюції швидкої і повільної акустичних мод в системі аерогель-Не ІІ при зміні пористості аерогеля. Показано, що поведінка швидкостей обох мод може бути адекватно описана в рамках модифікованої теорії Біопоширення звуку для трьохкомпонентного середовища з урахуванням звивистості акустичного шляха. Експериментально показано, що наявність матриці аерогелю підсилює зв'язок між коливаннями температури і тиску, що аналогічно введенню домішки ³Не, і дозволяє збуджувати повільну моду (теплові коливання) за допомогою коливань густини.

2. Вперше за допомогою методу кварцового камертона отримано значення коефіцієнта гідродинамічної та ефективної в'язкості Не ІІ у широкій області температур 0,2 - 2,2 К. Показано, що в гідродинамічній області температурна залежність коефіцієнта в'язкості добре описується сучасною кінетичною теорією Не ІІ. Проаналізовано складну ієрархію релаксаційних процесів у фонон-ротонній системі Не ІІ і визначено роль і внесок кожного процесу в коефіцієнт в'язкості. Знайдено температуру переходу від гідродинамічного до балістичного режиму течії фононів.

3. Експериментально доведено можливість появи конвективної нестійкості надплинних розчинів ³Не-⁴Не при нагріві знизу. Встановлено, що конвективна нестійкість надплинних розчинів ³Не-⁴Не настає лише після фазового розшарування.

надплинний гелій акустична властивість

Наукове та практичне значення одержаних результатів полягає у виявленні принципово нових ефектів у надплинному гелії у неоднорідних умовах. Побудована в роботі загальна картина еволюції швидкої та повільної моди у системі аерогель-Не ІІ відіграє принципову роль у розумінні акустичних явищ у надплинному гелії, що заповнює речовину з рухливою матрицею. Модифікована теорія Біо може бути надалі використана для опису акустичних властивостей трьохкомпонентних систем. Аналіз отриманих експериментальних даних з в'язкості та встановлена ієрархія релаксаційних часів суттєво розширює уявлення про характери та внески різноманітних релаксаційних процесів у кінетику Не ІІ. Для практичних цілей безсумнівну цінність має метод кварцового камертона, який може надалі використовуватись для вимірювання в'язкості квантових рідин при низьких температурах. Важливою обставиною для подальших розрахунків теплової нестійкості бінарних систем є встановлений в роботі факт - фазове розшарування внаслідок градієнта температури та концентрації, що сприяє виникненню такої нестійкості.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційну роботу увійшли результати досліджень, що були отримані у співавторстві, але в яких особистий внесок автора є визначальним. У роботах [1,2] автор приймав участь у постановці задачі, а також самостійно розробив та виготовив низькочастотні акустичні комірки. Ним побудовано загальну картину еволюції швидкої і повільної мод в системі аерогель-Не ІІ в залежності від пористості аерогелю, а також проведено порівняння швидкостей акустичних мод з різними теоретичними моделями. У роботі [3] автором проведено аналіз релаксаційних часів в Не ІІ, визначені різні режими течії фононів і область переходу між режимами руху. У роботі [4] автором проведен розрахунок градієнтів температури і концентрації, що виникають при впливі теплового потоку в надплинних розчинах ³Не-⁴Не. Для одержання резонансних характеристик при вивченні акустичних властивостей системи аерогель-Не ІІ і дослідження поведінки в'язкості автором був сконструйований низькочастотний акустичний спектрометр. Система автоматизації в усіх експериментах автором дисертації виконана особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на таких вітчизняних і міжнародних наукових конференціях:

Іnternаtіonаl Symposіum on Quаntum Fluіds аnd Solіds QFS2003, Аlburquerque, USА, Аugust 3-8, 2003.

ІІ Всеукраїнська конференція молодих вчених "Фізика низьких температур", Харків, Україна, 1 - 5 червня, 2009.

Іnternаtіonаl Symposіum on Quаntum Fluіds аnd Solіds QFS2009, Evаnston, USА, Аugust 5-11, 2009.

35 Совещание по физике низких температур, Черноголовка, Россия, 29 сентября - 2 октября, 2009.

Публікації. Результати, що представлені у дисертаційній роботі, опубліковано в 4 статтях у провідних вітчизняних та зарубіжних журналах [1-4], а також у 4 тезах докладів в трудах міжнародних та вітчизняних конференцій [5-8].

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів основного тексту з рисунками, висновків та списку цитованої літератури. Обсяг дисертації складає 118 сторінки, список використаних джерел (102 найменування) займає 9 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність обраної теми досліджень, сформульовані мета і основні завдання роботи, її наукова новизна, практична значимість отриманих результатів, подані відомості про публікації здобувача та апробацію роботи.

Перший розділ складає огляд літератури з експериментального та теоретичного дослідження надплинної рідини у неоднорідних умовах. У першому підрозділі аналізується поведінка надплинної рідини в пористому середовищу з жорсткою та рухливою матрицею, вплив домішок на зв'язок між коливаннями температури та тиску. У другому підрозділі аналізується одне з кінетичних властивостей Не ІІ-в'язкість. Розглянуті основні методи дослідження в'язкості, а також основи кінетичної теорії Не ІІ. У третьому підрозділі аналізується поведінка надплинних розчинів ³Не-⁴Не при наявності теплових потоків, розглянути різні типи теплової нестабільності. В кінці розділу формулюються висновки з огляду літератури і мотивація дисертаційної роботи.

У другому розділі описана експериментальна база для вивчення фізичних властивостей надплинних рідин у неоднорідних умовах. Основними елементами цієї бази є рефрижератор розчинення ³He в ⁴He і рефрижератор випару ³Не із зовнішньою відкачкою. Ці рефрижератори дозволяють перекрити температурний діапазон від 0,04 К до 4 К. Істотною особливістю конструкції рефрижераторів є можливість підтримки постійної температури протягом тривалого часу.

Для вирішення поставлених у роботі фізичних задач було створено ряд технічних і методичних розробок: зібрано низькочастотний акустичний спектрометр і виготовлено експериментальні комірки для дослідження хвильових процесів у надплинному гелії; реалізовано метод кварцового камертона для виміру в'язкості й низькочастотний резонансний метод для акустичних досліджень; для дослідження впливу теплових потоків був розроблено метод виміру градієнтів температур й концентрацій.

У третьому розділі наведено результати досліджень хвильових процесів в системі, яка складається з пористої речовини з рухливою матрицею (аерогель), заповненою Не ІІ.

Структуру аерогеля утворюють невеликі сферичні кластери діаметром 3-4 нм, з'єднані між собою в ланцюжки, які формують тривимірну сітку. Середній розмір пор складає 30-40 нм. Не дивлячись на дуже високу пористість, аерогелі володіють властивостями твердого тіла, при цьому вони мають найменшу щільність серед твердих тіл. Їх щільність змінюється від 0,225 до 0,004 г/см³ при зміні пористості від 88 % до 99,9 %.

За допомогою низькочастотної резонансної методики було проведено вимірювання швидкості швидкої і повільної колективних мод в області частот 100 Гц - 20 кГц при температурах 0,5-2,5 К у зразках аерогеля з пористістю 90 %, 94 % и 98 %, заповнених надплинним гелієм.

Слід відзначати, що в обговорюваних експериментах при збудженні системи аерогель-Hе ІІ за допомогою п'єзокерамічних перетворювачів одночасно швидка і повільна моди спостерігалися в зразках аерогеля з пористістю 90 % и 94 %. Проте, не вдалося спостерігати повільну моду в аерогелях з пористістю 98 %. Відомо, що в He ІІ в хвилі коливань тиску можуть відбуватися й коливання температури і навпаки, в хвилі коливань температури - коливання тиску. Проте, цей ефект малий внаслідок малості коефіцієнту теплового розширення ?с/?T. Ситуація кардинально змінюється при внесенні домішки в Не ІІ. У роботі [1] авторами були проведені розрахунки зв'язку між осциляціями температури і тиску у надплинному розчині ³Не-⁴Не, а також для системи аерогель-надплинний гелій. Було показано, що в цьому випадку, зв'язок між осциляціями визначається величиною ?с/?c або ус_ас_s, а не коефіцієнтом теплового розширення ?с/?T. Виходячи з міркувань, які були наведені вище, можна вважати, що аерогель з пористістю 98 % мав недостатню щільність ланцюжків, тому не забезпечував необхідний зв'язок між коливаннями тиску і температури.

Для опису хвильових процесів у рухливій матриці, яка заповнена надплинним гелієм, існує два підходи. Перший підхід, описаний в [2], ґрунтується на рішенні модифікованих рівнянь дворідинної гідродинаміки. У твердому пористому середовищі, коли глибина проникнення в'язкої хвилі л_з набагато більше розміру каналів d, нормальна компонента повністю загальмована, а звук поширюється по надплинній компоненті. Наявність рухливої матриці вносить відмінність. При порушенні коливань у системі аерогель-Не ІІ, матриця аерогеля й нормальна компонента рухаються як одне ціле. Внаслідок руху матриці також виникає сила пружності. Після змін і перетворень в системі рівнянь дворідинної гідродинаміки, було отримано секулярне рівняння для швидкостей звукових мод у системі аерогель-Не ІІ

(1)

Альтернативний підхід опису поширення акустичних хвиль у пористому середовищі, яке заповнене в'язкою рідиною, був розвинен у роботах Біо [3, 4]. Теорія Біо є розширенням класичної теорії пружності на випадок двофазного середовища з урахуванням уведення додаткових параметрів, що враховують взаємодію фаз. На відміну від підходу [2], ця теорія враховує звивистість акустичного шляху б_? і пористість матриці ?. На основі підходу Біо нещодавно була побудована теорія для трьохкомпонентного середовища, що описує загальну картину поширення колективних мод в аерогелі, заповненому надплинним гелієм [5]. У рамках цієї теорії в низькочастотній межі, коли (d <<л_з), для швидкої й повільної мод було отримане наступне секулярне рівняння:

(2)

Підкреслимо, що при б_? = ? = 1 рівняння (2) переходить у дисперсійне рівняння (1), отримане в [2]. Як випливає з рис.1, розрахунок, проведений відповідно до теорії [5], краще описує отримані експериментальні дані для швидкостей обох мод для всього температурного інтервалу.

Рис.1. Температурна залежність швидкості швидкої й повільної моди в системі аерогель-Не ІІ, пористість 90%. Суцільна лінія - розрахунок згідно [5], пунктирна лінія - розрахунок згідно [2].

Експериментальні дані про швидкість швидкої та повільної мод проявляють сильну залежність від значення пористості аерогеля, що наочно показано на рис.2 для двох температур. При досить низьких температурах, рис.2а, коли швидкості обох мод вже практично не залежать від температури, у межі високої пористості (? > 1) швидкість швидкої моди прагне до швидкості першого звуку C₁ в об'ємному Не ІІ, а швидкість повільної моди - до швидкості звуку в "сухому" аерогелі C_а. З ростом щільності аерогеля (зменшенням пористості) швидкість швидкої моди починає перевищувати значення C₁ і виходить на швидкість звуку в "сухому" аерогелі C_а. При цьому швидкість повільної моди в щільних аерогелях прагне до швидкості четвертого звуку C₄, що при низьких температурах практично збігається зі швидкістю C₁ у Не ІІ.

Рис. 2. Залежність швидкості швидкої моди (1) і швидкості повільної моди (2) від пористості аерогеля: а) Т = 0,6 K, б) Т =2,1 K. Швидка мода: - дана робота. Повільна мода - - дана робота. Суцільні лінії 1, 2 - розрахунок відповідно до теорії [5]. Лінія 3 - швидкість звуку в порожньому аерогелі, яка проведена по точках - - [6], - [2], - дана робота. Лінія 4 - швидкість першого звуку, лінія 5 - швидкість четвертого звуку.

Поблизу критичної температури T_C переходу гелію у надплинний стан поводження швидкої й повільної моди має більш складний вигляд (рис.2б). У цій температурній області при високих пористостях, (? > 1), швидкість швидкої моди переходить від значень, близьких до швидкості першого звуку, до значень проміжних між C₁ і C₄, як це спостерігалося в [2]. При подальшому зменшенні пористості, коли виконується співвідношення C_а > C₁, як і у випадку низьких температур, швидкість швидкої моди прагне до C₁. Що ж стосується повільної моди, то її швидкість при пористостях ? > 1 прагне до C₂, а в щільних аерогелях, як і раніше, прагне до C₄, однак при цих температурах вже C₄ < C_1.

У четвертому розділі описано експериментальні дослідження поведінки в'язкості Не ІІ, виконані за допомогою кварцового камертона в температурному діапазоні 0,2-2,2 K.

За допомогою низькочастотного акустичного спектрометра в експерименті реєструвалися резонансні криві при різних температурах і визначалася частота резонансу f₀ та ширина кривої на половині висоти f. Температурна залежність в'язкості нормальної компоненти Не ІІ, розрахована на основі експериментальних даних ширини резонансної кривої й частоти в максимумі резонансу, наведена на рис. 3. Для порівняння на цьому ж рисунку наведені значення в'язкості, отримані в роботах [7-10].

Рис. 3. Температурна залежність коефіцієнта в'язкості нормального компонента: 1 - дані дисертаційної роботи; 2- [7]; - [9]; - [10], - [8]. Пунктирна лінія 1 відповідає фононній в'язкості, лінія 2 - ротонній в'язкості, 3 - повна в'язкість.

У роботі проведено порівняння з кінетичною теорією Не ІІ. В Не ІІ існує два типи збуджень - фонони й ротони. Частину в'язкості, обумовлену переносом імпульсу ротонами, прийнято називати ротонною в'язкістю з_rot, а ту частину, що обумовлена передачею імпульсу фононами - фононною з_ph. У дійсності спостерігається одна в'язкість з, що є аддитивною величиною фононної й ротонної в'язкості.

Найбільш складним моментом при розрахунку в'язкості є знаходження повного набору часів релаксації. Ієрархія релаксаційних часів в фононній підсистемі Не ІІ в залежності від температури зображена на рис.4. При тисках менше 19 бар фононний спектр Не ІІ є розпадним і дозволені трьохфононні процеси, в яких беруть участь фонони, що поширюються під малими кутами один до одного. Ці процеси призводять до швидкого встановлення рівноваги уздовж заданого напрямку з часом Повна рівновага в фононній системі Не ІІ досягається після того, як відбувся процес вирівнювання температури й дрейфової швидкості між різними напрямками (поперечна релаксація) з характерним часом , де . При Т < 0,2 К визначається залежністю , у диапазоні температур 0,2 < Т < 0,5 К визначається залежністю . Слід зауважити, що при T < 0,7 K домінують трьохфононні процеси з часом , а при T > 0,7 K чотирьохфононні процеси з часом переважають над процесами поперечної релаксації . Тому у температурному інтервалі 0,5 < Т < 0,9 К час релаксації визначається співвідношенням [11]. В області температур Т > 0,9К релаксація визначається вже часом фонон-ротонної взаємодії . Повний час встановлення рівноваги у фононній системі, необхідний для обчислення в'язкості, має вигляд.

Рис. 4. Температурна залежність характерних часів релаксаційних процесів в фононній системі Не ІІ: 1 - , 2 - , 3 - , 4 - , 5 - , 6 - .

Характерний час встановлення рівноваги ф_r у ротонній підсистемі He ІІ визначається двома процесами:

1) взаємодією ротона з іншими ротонами, що характеризується часом релаксації , де - число ротонів в одиниці об'єму;

2) взаємодією ротона з фононами з характерним часом , де - число фононів в одиниці об'єму.

Повний час встановлення рівноваги в ротонній підсистемі визначається як . Повне значення коефіцієнта в'язкості, розраховане з урахуванням характерних часів релаксації, показане на рис.3 суцільною кривою на тлі наявних експериментальних даних. Можна сказати, що в межах сумарної похибки вимірів і розрахунку є згода. В умовах даного експерименту при температурах ~ 0,6 К величина l_ph стає того ж порядку, що й характерний розмір камертона а (а = 0,3 мм), що унеможливлює використання гідродинамічного наближення для опису фононної підсистеми. Плин фононного газу переходить від гідродинамічного до балістичного (кнудсеновського) режиму. У цьому випадку в результаті вимірів буде реєструватися деяка ефективна в'язкість з_eff

У роботі було проведене порівняння положення максимуму на залежності з від температури, яке спостерігається в даній роботі, з результатами, отриманими іншими методами: крутильних коливань сфери [9], коливань мікросфери [12] та дротика [13]. Температури переходу від гідродинамічного до балістичного режиму течії фононів, які спостерігалися в різних роботах, і відповідні характерні розміри вимірювальних пристроїв побудовані на рис. 5 на тлі температурної залежності довжини вільного пробігу фононів. Як і очікувалося, положення максимумів, що спостерігалися в експериментах з виміру в'язкості за допомогою різних методів, корелюють із співвідношенням довжини вільного пробігу фононів й характерного розміру використаного вимірювального пристрою.

Рис. 5. Температурна залежність довжини вільного пробігу фононів і точки переходу до балістичного режиму, які спостерігалися в різних роботах: 1 - дана робота; - [13]; - [12], - [9].

У п'ятому розділі описано дослідження теплової нестійкості надплинного розчину ³He-⁴He з вихідною концентрацією 9,8 % ³Не при нагріванні знизу в області температур 100-400 мК.

Для дослідження конвективної нестійкості у надплинних розчинах ³Не-⁴Не була використана циліндрична комірка, розташована уздовж вертикальної осі рефрижератора. Для створення теплового потоку було використано плоский нагрівач, що розташовувався в нижній частині комірки, безпосередньо в рідині. Для виміру температури й концентрації розчинів використовувалися два термометри й два ємнісних датчики концентрації.

Виміри стаціонарних градієнтів температури T і концентрації x у розчині з вихідною концентрацією 9,8 % ³He були проведені при різних потужностях теплового потоку Q. Отримані значення градієнтів температури T були віднесені до температури в середній частині комірки T_m.

На рис.6 представлені типові залежності реєструємих в експерименті градієнтів температури T від потужності теплового потоку Q при різних середніх температурах між датчиками. На всіх залежностях спостерігаються злами при деяких критичних значеннях потужності Q_cr, що свідчать про зріст теплопровідності рідини. Таку поведінку теплопровідності природно зв'язати з виникненням конвективного переносу тепла.

Рис. 6. Залежність градієнтів температури T від щільності теплового потоку для різних середніх температур комірки: - 400 мк, - 250 мк.

Отримані критичні значення градієнта температури T_cr залежно від середньої температури рідини наведені на рис.7. Суцільною лінією на цьому рисунку показані значення градієнта температури T_s, при яких у системі наступає фазове розшарування. Ці значення T_s при різних щільностях теплового потоку були вимірювані в роботі [14] по зламу на температурній залежності концентрації розчину.

Згідно дворідинної моделі надплинного гелію градієнт температури ініціює зустрічний рух нормальної й надплинної компонент. У випадку розчинів, атоми ³Не, що беруть участь у нормальному русі, будуть рухатися у бік більш низької температури, збільшуючи концентрацію ³Не у верхній частині комірки. Оскільки повна кількість ³Не в комірці постійна, це збагачення відбувається за рахунок збіднення нижньої частини розведеної фази розчину. У результаті по довжині комірки встановиться стаціонарний градієнт концентрації, що буде змінюватися залежно від потужності теплового потоку.

Рис. 7. Температурна залежність критичного градієнта температури T_cr, що викликає теплову нестійкість. Суцільною лінією відзначені значення градієнта температури, при яких у системі починається фазове розшарування.

З ростом концентрації, поблизу верхнього фланця комірки, де температура мінімальна, накопичується така кількість ³Не, при якому виникає розшарування розчину. Таким чином, температура розшарування в розчині при наявності градієнта температури виявляється вище, ніж у рівноважних умовах.

Отримані результати градієнтів температури й концентрації в розчині 9,8 % 3He можна зрівняти з аналогічними даними, отриманими в роботі [15] для 5 % ³He розчина. У роботі показано, що для однорідного 5% ³He розчина залежність T від Q є лінійною. В 5 % ³He розчині максимальне зростання концентрації у верхній холодній частині осередку становить 0,8%³He, що не досить для стимулювання фазового розшарування.

Таким чином, експерименти показали, що у надплинних розчинах ³Не-⁴Не, що нагріваються знизу, незважаючи на те, що розчин залишається гравітаційно стійким, виникає теплова нестійкість. Механізм нестабільності в даних умовах може бути пов'язаний з границею між розшарованими фазами.

Висновки

В дисертаційній роботі вирішено важливу задачу в області фізики низьких температур - експериментально виявлено вплив неоднорідності на кінетичні властивості та стабільність надплинного гелію і встановлено механізми такого впливу. Серед фізичних результатів, отриманих у ході виконання роботи, найбільш суттєвими є такі:

Вперше, на основі систематичних досліджень колективних мод у системі аерогель-Не ІІ, побудовано загальну картину еволюції швидкої та повільної мод при зміні пористості аерогеля.

Показано, що швидка й повільна акустичні моди в системі аерогель-Не ІІ можуть бути адекватно описані в рамках модифікованої теорії Біо поширення звуку для трьохкомпонентного середовища з урахуванням звивистості акустичного шляху.

Вперше експериментально показано, що наявність матриці аерогеля поліпшує зв'язок між коливаннями щільності й температури, аналогічно введенню домішки ³Не. Це дозволило збуджувати повільну моду за допомогою п`єзоперетворювача, що генерує коливання густини.

За допомогою методу кварцового камертона отримані значення коефіцієнта гідродинамічної та ефективної в'язкості в області температур 0,2 - 2,2 К. У гідродинамічній області отримана температурна залежність коефіцієнта в'язкості добре погодиться з результатами, отриманими за допомогою інших методик і добре описується сучасною кінетичною теорією Не ІІ.

Показано, що в умовах експерименту при температурі T ~ 0,5 K спостерігається максимум на температурній залежності в'язкості, поява якого обумовлена переходом від гідродинамічного режиму до балістичного режиму течії фононів.

Проведено аналіз релаксаційних процесів та построєна ієрархія часів у фонон-ротоній системі Не ІІ. Визначена роль і внесок кожного релаксаційного процесу в коефіцієнт в'язкості.

Проведено порівняння температури переходу від гідродинамічного до балістичного режиму течії фононів за довжиною вільного пробігу фононів і характерним розміром вимірювальних пристроїв.

Методом стаціонарного теплового потоку виявлено, що конвективна нестійкість надплинних розчинів ³Не-⁴Не наступає тільки після розшарування на слабку й концентровану фазу. Це дозволяє стверджувати, що причиною нестійкості є процеси на поверхні розділу між розшарованими фазами.

Знайдено значення критичних градієнтів температур й концентрації, що відповідають переходу розчинів у режим теплової нестійкості.

Список використаної літератури

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Задорожко О.О. Колективні моди та релаксаційні процеси в надплинному гелії в неоднорідних умовах. - Рукопис.

Zаdorozhko А. А. Collectіve modes аnd relаxаtіon processes іn super?uіd helіum іn іnhomogeneous condіtіon. - Mаnuscrіpt.