Способ измерения высоких давлений при низких температурах и устройство для его осуществления

е и СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 48384,й 24/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О. ф А 3 СД 1; .,) ЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВТОРНИКОМ ЕТЕЛЬСТВУ х,Об 4 ь(21) 3454934/18-25 расширения области использования, (22) 06.05.82.,. в качестве активного элемента нс- (46) .15.10.83. Бюл. 9 381 пользуют кристаллы слабого Ферромаг(72). В.д,дорошев, Н.М.Ковтун нетнка ГеВО 3, измеряют частоту маги А.Н.Молчанов нитного резонанса ядер 7 Р е во "(71) Донецкий Физико-технический .: внутренних магнитных полях указанных ,институт АН Украинской ССР кристаллов и по .значению этой часто(53) 539.143.43(088,8)ты судят о величине давления. (56) 1. Блок С. Я.:, Пьермарини Г. . 2. Устройство для измерения высо- Алмазные наковальни открывают новые . ких давлений при низких, температура воэможности в физике высоких давле-: содержащее спектрометрмагнитного ний,. УФН, 1979, с. 127, вып. 4,резонанса, включаюций резонатор с с, 705-718. активньи элементом, размещенным в2. Авторское свидетельство СССР . сосуде высокого давления, ц модули 693232, кл. О 01 М 24/10,.1977 . руемый источник высокочастотной мощ(прототип). ности, подключенный к резонатору,о т л и ч а ю щ,е е с я тем, что, , Ж(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЬМ:ОКИХ ДАВ с. целью упрощения устройства. и йовы" . ЛЕНИЙ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И УСТ- шения точности:;измерений, резона- РОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСЯЦЕСТВЛЕНИЯ тор выполнен в виде однослойной ка(57.) 1 . Способ измерения. высоких дав- . тушки, активный элемент выполнен из лейий при низких температурах, вклю- . монокристалла слабого ферромагнетика чакщий измерение частоты,магнитного Ревой, а спектрометр магнитного ре- Я резонанса активного элемента, о т - зонанса выполнен в виде,автодинного л и ч а ю щ и й с я тем, что,сс ,.спектрометра ядерного магнитного рецелью повышения точности измерений и: зонанса с частотой дюдуляцией. ффффф 4 Р 4 ьИзобретение относится к измерительной технике, в частности к технике изме 1 ения высоких гид.остатических давлений (до 30 тыс, атм.) при низких температурах (в интервале гелиевых температур 1-5 К), .и может найти применение в научном эксперименте.Известен способ измерения высоких и сверхвысоких давлений, используе.мый в широком интервале температур, 10 путем измерения длины волны узкой линии люминесценции рубина. Датчиком давления в этом способе, является монокристалл рубина (А 1 03 + С г ), выбор которого среди других возмож ных веществ обусловлен малой шириной линии, большой величиной барического коэффициента длины волны, линейностью градуировочной кривой до 300 тыс.атм. и большой интенсивностью линии излу чения люминесценции. Манометр, осно" ванный на этом способе, нашел широкое применение в ячейках сверхвысоких давлений - алмазных наковальнях. Точность измерения давления при за писи линии 0,5-1 тысатм., а при ручной настройке на максимум линии люминесценции 2-3 тыс. атм. 11) .Однако необходимость .иметь опти-. ческие окна в камере высокого давления и криостате сильно сужает область применения способа. Манометр, основанный на этом способе, имеет сложную и дорогостоящую вторичную аппаратуру, которая зачастую оказывается 35 сложнее аппаратуры для происходят под давлением физических исследований. Кроме того, точность измерения недостаточная в интервале давлений0-30 тыс. атм характерном .для камер 4 ф типа цилиндр-поршень при низкотемпе.ратурных исследованиях.Наиболее близким к изобретений является способ измерения высоких .давлений при низких темнературах, включающий измерение частоты магнит" ного .резонанса активного элемента, и устройство для его осуществления, содержащее спектрометр магнитного рез нанса; включакиций .резонатор с активным элементом, размещенным в сосуде высокого давления, а модулируемый источник высокочастотной моцности, подключенный к резонатору ЫСпособ и устройство основаны на зависимости от давления параметра начальйого расщепления 20 спектра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) ионов Сгф в рубине (А 3 03 + Сг ), монокристалл 60 которого помещен в камеру высокого давления, Параметр 23 не зависит от температуры и изменяется почти линейно с давлением, соответствующий барический коэффициент Ь (20)йР =65= 21,3 МГц/тыс.атм., где Ь - изменения параметра Э и давления Р. Посмещению линий спектра ЭПР судят овеличине давления в камере, При ширине линии резонанса в рубине 15 Эи ошибке измерения резонансного поляЗЭ точность измерения давления ука"занньм способом составляет0,4 тыс.атм.Основньи недостатком известногоспособа и устройства является относИтельная сложность конструкции и не-достаточная точность измерений. Укаэанный способ и устройство применяются при исследованиях под давлениемвеществ методом ЭПР,когда в камеревысокого давления, содержащей резонатор спектрометра ЭПР, вместе с исследуемым образцом можно разместить также монокристалл рубина. Кроме того,процесс измерения давления с помощьЮизвестного способа, является сложныки продолжительньм, что,обусловленО:рядом факторов: необходимостью точной ориентации монокристалла рубинаотносительно направления магнитногополя, необходимостью точного измере.ния значения резонансного .магнитногополя как при изяеряемом давлении,так и прч нулевом давлении, т.е.в разгруженном состоянии камеры высокого давления.. Пелью изобретения является повышение точности измерений и расширениеобласти использования.Поставленная. цель достигаетсятвМ, что согласно способу измерениявысоких давлений при низких температурах, включающему намерение частоты магнитного резонанса активногоэлемента, в качестве активного элемента использу 1 от кристаллы слабогоФерромагнетика еВО , измеряютчастоту магнитного резонанса ядерРе во внутренних магнитных полях7указанных кристаллов и по значениюэтой частоты судят о величине давления.В устройстве для измерения .высокихдавлений при низких температурах, содержащем спектрометр магнитного резонанса, включающий резонатор с активным элементом, размещенным в аосудевысокого давления, и модулируемый источнвв высокочастотной мощности, подключенной к резонатору,резонатор выполнен в виде однослой-.ной катушки, активный элемент выполнен из монокристалла слабого ферромагнетика РеВО, а спектрометр маг-нитного резонанса выполнен в видеавтодинного апектрометра ядернегомагнитного резонанса с частотвеймодуляцией,Соединение РеВО является слабымферромагнетиком с магнитной кристаллографической анизотропией типа лег/кая плоскость и высокой температурой упорядоченных кристаллах,Значениемагнитного упорядочения Т а 348 К. для ядер в доменах определяетсяМагнитный резонанс е (ЯМР) наблю- отношением Н/Н, где Нл - сверхтондается в этом соединении во внутрен- кое поле на ядрах (Н - 0,551106 Э)них магнитных пОлях на ядрах, созда- -, Нц - поле анизотропии в базиснойваемЬ 1 х электронной оболочкой ионов 5 плоскости кристалла, для которогоРе+, без наложения внешнего магнит- оценена лишь верхняя граница (0,5 Э),ного поля. Частота ЯМР 1 Ге в функции, Опытные данные показывают, чтотемпературы при нормальном давлении106, а сигналы происходяткак отизменяется оР.значения 3 - 76,439 мГц ядер в доменах, так и в доиейныхдо 0 при изменении температуры от 0 10 границах,до 348 К. В этом интервале темпера Поскольку РЪзонансная линияф.яМРтур можно выделить две характерные ; Ре наблюдается без наложения внеш-области: 15-340 К, где частота ЯМР него магнитного поля, отпадает несильно зависит от температуры, иобхбдимоств применять громоздкий и0-5 К, где зависимость частоты ЯМР 15 дорогостоящий электромагнит,и мощныйот темпарутры очень слабая, что поз" , ,стабилизиРованный блок питания электволяет использоврть,РеВОЭ в этой : ромагнита, необходимые для наблюдеобласти. для измерения давления: ния ЭПР в рубине, Благодаря этомуФизическая сущность зависимости становится возможньи измерение давчастоты ЯМР от давления заключается 20 .ления в камерах, выполненных из магв следующем. нитных материалов, например из стеЧастота 1 пропорциональна внут- . лейреннему (так называемому сверхтонко" . Поскольку длина волны % достаточноу) полю на ядрах ионов Рез+, кото- большая (а 3,9 м вместо длин волнрое образуется вследствие поляриза 0,1-10 см, используемых в техникециивнутренних б -оболочек ионаЭПР), соединение камеры высокого:.внешней нескомпенсированной 36-обо- - . давления со спектрометром производит лочкой, обуславливакщей магнетизмсяпростой коаксиальнойлинией малосоединеиия. При всестороннем сжатии . го диаметра, а не волноводом. Стакристалла изменяются перекры-3 О,новится возможным использованиетия .33-оболочки и 8 -оболочек и,электровводов обычного типа, применяследовательно, степень поляризации. емых для цепей постоянного тока, Препоследних. Кроме того, изменяется , цизионный СВЧ"резонатор, имеющийэлектронная плотность на ядре-элек значительные габариты, заменяетсятронов. Изменения этих факторов и вы-"малогабаритной однослойной ВЧ катуш-.зывают зависимость поля на ядре и,кой, состоящей из нескольких витков.35в свою очередь, частоты Ч ЯМР от .-:. провода обычно медного, внутри кодавления Р. Зависимость 1(р) прак- торой размещается активный элемент,тически не поддается расчету. Благодаря этому предлагаемый способ,измерения давлений может. быть испольЭксперимантально изучены некото-40 зован в большинстве случаев физичесрые особенности явления ЯМР в РеВОЭ, ких низкотемпературных исследований.делающие его уникальным для маномет" при высоких давлениях, а не толькорических целей. Так, расширение. в случае исследований методом ЭПРобласти использования способа связано,.- Упрощение процесса измерения давсо следукшим: сигналы ЯМР еочень 45 ления связано со следующим.интенсивны даже при,естественном .: Отпадает такая операция, как точсодержащии изотопа, По этой причине ная ориентация оси симметрии монодетектирование сигналов легко осуще-. кристалла рубина относительно направствляется простейшими автодинами сления постоянного магнитного поля..частотной модуляцией и визуальным,50 Неточнаяориентация базисной ЙЛбскос-.наблюдением на экране осциллографа. : ти монокристалла ФеВО 3 относительноСхемы таких автодинов составлены из ., оси катушки в малой степени влияетнескольких транзисторов. Опытная про-лишь на интенсивность сигналов ЯМРверка показывает, что визуальное .(сигналы максимальны, когда базиснаянаблюдение, сигналов возможно с соот- плоскость параллельная оси катушки),ношением сигнал - шум 30:1 на моно- ф но совершенно не влияетна частотукристалле объемом 0,005 см . Поэтому ЯМР, поскольку сигналы наблюдаются3вторичная аппаратура соответствую- во внутренних полях кристалла. кромещего манометра несравненно проще, того, ввиду. хорошей воспроизводимосчем манометра, основанного на ЭПР . ти значений частоты ЯМР нет необходиС в рубинеи является общедоступ 4 О 1 мости измерять значение частоты вной, физической причиной, интенсивно- разгруженном состоянии камеры высокого ЯМР-поглощения . в случае РеВО 8 . хо давления, достаточно пронести из-"является уникально большое значение . мерения под давлением.коэффициента усиления ЯМРЯ , характе- Повышение точностияизмерения давризирующего явление ЯМР в магнито ления связано с малой шириной линииДГ ЯМРТ Ге в ВеВО при. низких температурах. Например, при Т"-4,2 К,АР:2-4 кГц. Это обусловлено тем,что в еВОЭ отсутствует главный механизм уширения линий ЯМР в. Ферромагнетиках - распределение магнит, ных полей для ядер в доменной стенке,обусловленное дипольными и анизотропыыми сверхтонкими полями. В 1 еВО 8имеются доменные стенки неелевскогои блоховского типов, намарниченность 10в которых вращается в базисйой плос.кости кристалла, благодаряЧему дипольных вклад в резонансную частотуостается постоянным, ПоЭтому линииядер в доменных стенках не уширяются.15по сравнению.с линиями ядер в объемедоменов. Так как спин ядер Ре.Э =1/2, отсутствует также квадруполь- .ный механизм уширения линий. поскольку для обеспечения высокой чувстви- .20тельности и точности важно большоезначение параметра (1/Ъ) (А/ЬР)малая ширина линии столь же необходви, как и большое .значение барическога коэффициента частоты. . 25на фиг.1 представлена графическаязависимость частоты ЯИРТе от давления при Т = 4,2 К; на Фиг.2 схематически изображено устройство дляизмерения высоких давлений при низ- Зких температурах,П р и м е р . Проводилось измерение частоты ЯИРаГе во внурренннхмагнитных полях монокристалла Р еВОЗв зависимости от давления.Измерения выполнены в камере высокого давления типа цилиндр-прршень.в диапазоне давлений 0-16 тыс.атм.при Т = 4,2 К. Для определения видазависимости 9 (Р) использовалсяиндиевый сверхпроводящий манометр 40и калибровочная зависимость длят(Р) индия, где Тк - значение температуры сверхпроводящего переходапридавлении Р.45Камера заполнена масляно-керосиновой смесью с соотнощением компонентов 1:1. Давление создавалось- и фиксировалось при комнатной температуре,затем камера медленно охлаждаласьдо температуры жидкого гелия ипро- .изводилось измерение частоты. ЯМР.После этого измерялось давление вкамере сверхпроводящим манометром,На Фиг.1 изображена полученная зависимость частоты ЯИРА Ре в функциидавления при Т=4,2. Зависимость имеетлинейнйй характер в исследованноминтервале давлений. Разброс точекна Фиг.1 обусловлен главньм образомнеточностью измерения давления сверх.проводящим манометром.Воспроизводимость измерения час-.тоты ЛИРРе при 4,2 К и вормальном давлении исследована для монокристаллов, выращенных из раствора в 65 расплаве и взятых из.различных партий, отличающихся составом шихтыи условиями роста. Оказалось, что привизуальной регистрации линии на экране осдилографа воспроизводимостьчастоты ЯМР на хуже чем 0,1-0,2 кГц,а 1 = 76,4382 МГц. Исходя из этойошибки измерения частоты, можно сделатв вывод, что предлагаемый способпозволяет измерять давление с ошибкой в 2-4 раза меньшей,чем у известного способа.Определено значение барического коэффициента частоты ь /Ар =2,32 кГц/тыс. атм. и найдено,Что квадратичными поправками можнопблностьв пренебречь. Высокая воспроиэводимость значения частоты принулевоМ давлении свидетельствуето том, что нет необходимости в ееопределении для каждой серии измерений давления.Устройство для измерения высокихдавлений при низких температурах(фиг 2) включает 4 активный элемевтвыполненный в виде монокристаллаГеВО и помещенный в камушку 2,изготовленную,. например, из медногопровода и подсоединенную к электровводу 3, и автодинный ЯМР-спектрометр 4:. Активный элемент расположенв камере 5 высркого давления. ЯМРспектрометр включает модулируемыйисточник б высокочастотяоймощности,подключенный через коаксиальную линию7 и электроввод.3 к резонатору, атакже частотомер 8 и осциллограф 9.Устройство работает следующимобразом.Высокочастотная энергия от модулируемого источника б высокочастот-ной мощности подводится к электровводу 3 и, соответственно, к катушке2 по линии 7. Продетектированныйсигнал поступает на вход вертикального отклонения осциллографа 9, а напряженые низкой частоты,. используемоедля модуляции источника б высокочастотной мощности - на вход горизонтальногоотклонения. При достижениирезонансных условий в центре экоаиаосцйллографа наблюдают резонанснуюлинию. Затем при выключенной частотной модуляции измеряют. значения частоты резонанса с помощью частотомера 8.Значейие давления определяют поФормулеР.К0)-,РЦ,где КР- Ь 1)ЬР - барический коэффициент частоты ЯИРА Репри гелиевых температурах,"От(О) - табулированное зна. чение частоты.приданной температуреи нормальном давле-нии;/ 76 Раас. вам1 Х 7фт(Р)- значение частотыкамерами как из магнитных, так ипри. данной темпера- .немагнитных материалов упроститьтуре и измеряемом .процесоэизмерения давления, посколь"давлении. ,: ку отпадает необходимость ориентацииИспользование предлагаемого способ . активного элемента и регистрации реба и устройства для его осуществле- зонанса.при нулевом давлении) в 2-4 ния позволяет по сравнению с сущест- .,раза повысить точность измерения .вующими расширить область примененияг: давления существенно упростить констановится. возможньан .измерение вы- , струкцию датчика и уменьшить его гасоких давлений в диапазоне гелиевых,. бариты, снизить требования к электро- температур в большинстве видов физи вводу камеры высокого давления и ческих. исследбваний при работес соединительной линии.1048384 ф Составитель В.МайоршинРедактор М,Петрова Техред К,Мыцьо КоРРектоР Г.Режетник. ак,а д 4/5 Филиал ППП.Патент, г,ужгорсдул,Прое 7923/50 ВНИИПИ Г по делам 113035, М Тираж 873 , Подписноеударственного комитета СССРизобретений и открытийква, Ж, Раушская наб,