Способ осуществления и изучения фазового перехода

Союз Соеетскик Социапистичесних Респубпиы(61 Дополнительное к авт, свид-ву22 Заявлено 230279 (21) 2727839/18-25с присоединением заявки Нов(51)М. Кл.зН 0139(24 6 01 й 25/12 Государственный комитет С,С СР но делам изобретений и открытий72) Авторы изобретения Г, В. Ермаков и Н. Л, Сорокин Отдел Физико-технических проблем энергетики Уральского научного центра АН СССРИзобретение 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 - сверх 10 проводник путем измерения среднего значения магнитной индукции по сечению образца и его магнитного момента (1.Укаэанный способ дает возможность изучать магнитные свойства фаз и оп ределять максимальныЕ значения напряженности магнитного поля, достижимые в условиях эксперимента. Однако он не позволяет исследовать возникновение зародышей новых фаэ и слу 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 напряенности внешнего продольного магнитного поля и регистрации перехода.по моменту вы талкивания или проникновения поля в образец 2 1. 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 нихе 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 допускает, следовательно, изучение фазового перехода лишь в узкой области фазовых состояний. Во-вторых, фиксируемая в опытах граница мвтастабильныхсостояний является неопределенной,так как она существенно зависит отскорости изменения поля и размеровобразца. Наконец, наиболее существенным недостатком прототипа является пренебрежение случайным характеромфазового перехода. Метастабильнаясистема (нормальный металл при Н ( Нсили сверхпроводник при ННс) характезируется пониженной устойчивостьюпо отношению к образованию конкурирующей фазы, Однако ее возникновениесвязано с флуктуационным преодолением потенциального барьера, равногоработе образования критического зародыша, вследствие чего время существования метастабильной фазы изменяетсяот испытания к испытанию случайным 20образом. Его среднее значение зависит от состояния системы (Н,Т) и характеризует ее устойчивость.Целью изобретения является определение термодинамической устойчивостиисходной метастабильной фазы в материале образца по среднему времени еежизни.указанная цель достигается тем,что по предлагаемому способу скачкообразно изменяют напряженность внешнего магнитного поля до величины, выбранной в интервале от ее критичес"кого значения при данной температуредо граничного значения устойчивостиисходной фазы и регистрируют временную задержку фазового превращения.При одних и тех же внешних условиях (Н,Т) измерения времени Т; многократно и повторяют и по полученнойвыборке случайных чисел судят о среднем времени жизни образца в этом состоянии (о его устойчивости) и о характере изучаемого случайного процеса. Выбрав другие значения. поля и температуры (Н,Т) повторяют измеренияи таким образом изучают фазовый переход во всей области метастабильныхсостояний от кривой равновесия до границ устойчивости фаз.На фиг. 1 приведены гистограммыопытов по определению средних временжизни метастабильных фаэ в ртути притемпературе З,б Е:1 а.- нереохлаждение: Н= 30 Э,и с 255, Р = 6,7 с.551 б, - перегрев: Н= 20 Э, и202,т= 0,1 с,На фиг. 2 дана зависимость среднего времени жизни метастабильныхфаэ от напряженности магнитного поляпри температуре З,б К: 602 а - переохлаждение, 2 б - перегрев,Исследуемый цилиндрический образецрасполагают по оси магнитной системы,состоящей иэ сверхпроводящего соленоида, задающего внешнее магнитное 65 поле, вспомогательного соленоида и системы катушек, позволяющих увеличивать (перегрев) или уменьшать (переохлаждение) магнитное поле всегообразца или его отдельных частей, Образец и магнитная система полностьюнаходятся в жидком гелии. Для получения образца в переохлажденномсостоянии магнитное поле уменьшают сННс до ННс (Нс - напряженностькритического поля) йутем отключениявспомогательного соленоида или катушки. Коммутация тока вспомогательногосоленоида или катушки осуществляется при помощи реле, благодаря чемуперевод в метастабильное состояниепроисходит менее, чем за 0,05 с. Спустя вще, 0;05 с после установлениямагнитного поля Н включается частотомер, работающий в режиме измеренийвремени,Для остановки частотомера используется усиленный сигнал, возникающийв катушке-датчике, намотанной на образец, при выталкивании из него магнитного поля,При заданной температуреи заданных значениях Н и Н с помощью простой релейной автоматики опытмногократно повторяют, результатыфиксируются цифропечатающим устройством. Аналогичным образом изучаетсяперегрев, При этом вспомогательныйсоленоид (или катушка) создает дополнительное поле, противоположное полюосновного соленоида, и при его отключении поле изменяется от Н ( Нсдо ННс.На фиг, 1 показано распределениечисла переходов нормальный металлсверхпроводник для образца ртути взависимости от времени существованияпереохлажденного (фиг, 1 о) и перегретого (фиг. 3 Д) состояний при температуре 3,6 К. Для обеих гистограммхарактерно появление приблизительнов б 0 случаев времен от О до 2-5 с.Большие времена появляются с существенно меньшей и приблизительно постоянной вероятностью. На фиг. 2 показана зависимость среднего временижизни метастабильных фаз от конечного .поля Н, Таким образом, установлен случайный характер фазового перехода и определена количественнаямера устойчивости метастабильныхфаэ - среднее время их существования - при различных значениях напряженности магнитного поля.Наряду с достижением поставленнойцели способ позволяет определять значение критического поля (Нс), соответствующего заданной температуре,путем экстраполяции среднего временижизни к бесконечности (фиг. 2 о) изначение поля, соответствукь 1 ее границе устойчивости метастабильной фазы, экстраполяцией среднего временижизни к нулю (фиг. 2 Ю), Предлагаемый способ дает возможность количествен753319 Формула изобретения 15 150 145 20 0 10 20 И 40 50 Ю сФиг. 1 а 1 г 5 120 115 га 0 120 Мо 200 , с Фиг,1 д. 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 существования 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 2 О путем изменения величины напряженности внешнего продольного магнитногополя и регистрации перехода по моменту выталкивания или проникновенияполя в образец, о т л и ч з ю щ и йс я тем, что, с целью определениятермодинамической устойчивости исходной метастабильной фазы вматериалеобразца по среднему времени ее жизни, скачкообразно изменяют напряженность внешнего магнитного поля до величины, выбранной в интервале от еекритического значенияпри данной температуре до граничного значения устойчивости исходной фазы и многократно регистрируют временную задержкуфазового превращения.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Роуз-Инс А., Родерик Е. Введениев физику сверхпроводности, М., "Мир",19722. Линтон Э. Сверхпроводимость.М., "Мир", 1971, с. 91-99 прототип).,2 а 1Составитель В. Далининактор И. Юубина Техред А, Бабинец Коррект ил каз б 744/63 Филиал ППП "Патент Ужгород, ул. Проектная,Тираж 784 ВНИИПИ Государстве по делам изобре 035, Москва, Ж, Подписноеого комитета СССРний и открытииаушская наб д. 4