СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО НАНОМЕТРОВОГО СЛОЯ СВЕРХТЕКУЧЕЙ ЧАСТИ РАСПЛАВА БОРНОГО АНГИДРИДА Российский патент 2016 года по МПК G01N33/00 C01G1/02 C01B35/00 B82B1/00 

Изобретение относится к исследованию теплофизических свойств сверхтекучих квантовых жидкостей и представляет собой одну из фундаментальных задач физики. При разработке способа использована способность к перетеканию по поверхности платины сверхтекучей части борных расплавов [1]. В процессе перетекания происходит отделение и самопроизвольное распределение сверхтекучей части расплава по поверхности платиновой проволоки и спая термопары. В этих условиях горячий спай термопары оказывается погруженным только в сверхтекучую часть расплава и фиксирует ее температуру. Показано значительное изменение температуры, достигающее нескольких десятков градусов при натекании сверхтекучей части расплава на горячий спай термопары. Установлено, что в стационарном состоянии процесса температура поверхностного сверхтекучего слоя становится одинаковой в различных точках расплава в соответствии с когерентными свойствами сверхтекучей жидкости.

Изотермическое состояние поверхностного слоя при наличии температурного градиента подтверждает когерентные свойства жидкости, служит одним из определяющих признаков квантовой сверхтекучей природы исследуемых расплавов. При этом используется один из наиболее уверенно измеряемых параметров состояния - температура.

Модель образования сверхтекучих квантовых жидкостей (расплавов) и их свойств, в том числе когерентности, впервые рассматривается на основе высокотемпературного макроскопического состояния вещества. Температурный диапазон исследований составляет от 200 до 1050°С.

Сверхтекучие и квантовые свойства расплава борного ангидрида подтверждаются следующими экспериментальными данными:

1. Нулевая энтропия расплава B₂O₃ в температурном интервале исследований 800-1000°С [1].

2. Способность расплава В₂О₃ подниматься вверх по вертикальным стенкам и перетекать из одного сосуда в другой по общей разделяющей их поверхности [2].

3. Установлена двухжидкостная структура и подтверждена модель Л. Ландау строения борного оксидного сверхтекучего расплава.

4. В расплаве В₂О₃ образуются специфические квантовые воронки.

Квантовая природа расплава В₂О₃ подтверждается также исчезающе малой вязкостью расплава [2] и его высочайшей теплопроводностью.

Перечисленные выше основные признаки дают основание идентифицировать сверхтекучее квантовое состояние В₂О₃, а вместе с этим прогнозировать появление в расплаве когерентных свойств. Приведенные ниже экспериментальные данные подтверждают правильность этого прогнозирования.

Когерентность в общем виде - довольно сложное понятие и может рассматриваться как механизм процесса самоорганизации, сопровождающийся сборкой более сложных структур, коренным образом изменяющих макроскопическое поведение исходной системы. К общим признакам когерентности, наблюдающейся в различных явлениях, следует отнести появление упорядоченности структуры и согласованность поведения большого числа элементов системы. Основным условием возникновения когерентности является неравновесность исходной самоорганизующейся системы. Природа когерентных явлений характеризуется также существованием в структуре дальнодействующих «несиловых» связей.

В более простом понимании когерентность - это способность системы при ее определенном фазовом состоянии (5 фазовое состояние) и определенных параметрах состояния сохранять свойства, одинаковые для каждой точки и каждого большого или малого объема макроскопической системы. Нельзя изменить свойство в какой-либо части объема, не изменив его во всем объеме вещества.

Когерентные свойства являются неотъемлемым свойством квантовых систем, однако, известные сверхтекучие жидкости низкотемпературного диапазона (жидкий гелий) до настоящего времени остаются недостаточно исследованными с этих позиций. Технические возможности исследования когерентных свойств квантовых сверхтекучих борных оксидных расплавов также весьма ограничены и рассматриваются нами впервые.

Когерентность, возникающая в квантовых системах (сверхтекучих жидкостях), включает в себя сообщение (информацию) об упорядоченном состоянии системы, которое сопровождается энтропийными процессами (акт волновой функции). Таким образом, когерентность характеризуется возникновением порядка или образованием более сложной структуры в процессе самоорганизации и может быть выражена как мера организации системы при помощи энтропийных показателей. Строго говоря, в количественном отношении энтропию принято считать мерой беспорядка системы. Чем меньше энтропия, тем меньше степень беспорядка системы. Здесь устанавливается связь между организацией структуры и мерой ее беспорядка, а вместе с этим возможность описания процесса появления когерентного состояния при помощи энтропии.

В практическом плане одним из первых является вопрос того, насколько чистота исходного сырья оказывает влияние на результаты и воспроизводимость измерений. Как показывают наши исследования, небольшие добавки различных химических веществ-оксидов или химических соединений, которые в процессе синтеза превращаются в оксиды, не оказывают существенного влияния на квантовые, а вместе с этим и на когерентные свойства расплавов. Так, например, в расплав В₂О₃ вводят до 3,0 мол. % K₂O, до 6,0 мол. % Cs₂O; практически до 1,0 мол. % любого из оксидов щелочно-земельных металлов, сверхтекучесть расплава при этом сохраняется. [1]. Таким образом, можно сделать вывод о незначительном влиянии примесных веществ, что является вполне ожидаемым результатом для высокотемпературных исследований. Как показывает наш опыт, для исследования квантовых свойств борных оксидных расплавов вполне пригодны реактивы марки ХЧ, ЧДА, ОС (особо чистые).

Тем не менее в наших условиях каждая партия исходного сырья (хим. реактивы) проходит предварительную проверку на возможность получения из него сверхтекучего расплава по методике приведенной в работе [1].

При экспериментальных исследованиях сверхтекучих свойств, в том числе когерентных, возникает проблема разделения обычной жидкости и сверхтекучей части. Несмотря на то что такие экспериментальные методы разработаны [1] применение их в данном случае практически невозможно.

Проведение термографических исследований и различных экспериментальных манипуляций, связанных с нагревом и охлаждением выделенной, изолированной сверхтекучей части, неизбежно приведет к необратимым процессам и потере квантовых свойств расплавами. В связи с этим образование сверхтекучей жидкости и измерение температуры должно проходить в определенных временных границах одновременно. Соблюдение этого требования является необходимым условием проведения исследований когерентных свойств сверхтекучих расплавов.

Новый класс сверхтекучих квантовых жидкостей на основе борных расплавов [1, 2] был открыт в последние годы. Экспериментально установлены температурные и концентрационные границы и основные признаки сверхтекучести. Показано, что носителем квантовых свойств является оксид бора [3]. Обращает на себя внимание высокая способность борных расплавов в том числе расплава чистого оксида бора к перетеканию по поверхности платиновых материалов. Именно это свойство использовано для реализации способа измерения температуры и идентификации когерентности в нанометровых поверхностных слоях с применением платина-платинородиевой термопары U-образной конструкции.

Исследование теплофизических свойств тончайших нанометровых слоев сверхтекучих квантовых жидкостей представляет собой одну из фундаментальных задач современной физики. Ее решение связано с установлением теплопроводности и когерентных свойств жидкости и, следовательно, с установлением дополнительных признаков свойств, характерных для сверхтекучих квантовых объектов. Проведенная нами попытка определить температуру поверхности расплава при помощи радиационного лазерного радиометра оказалась безуспешной, очевидно, в связи с тем, что радиометр фиксирует отраженную часть спектра не только поверхности, но и глубинных слоев прозрачных борных оксидных расплавов. Таким образом, можно, по-видимому, сделать заключение о том, что в настоящее время не существует устройств и способов измерения температуры локальных нанометровых слоев расплавов. В связи с этим отсутствует возможность выбора какого-либо прототипа, а предлагаемый способ измерения температуры и идентификации когерентных свойств поверхностного сверхтекучего слоя является первой попыткой решения этой проблемы.

Задача включает в себя две необходимые операции:

Отделяют сверхтекучую часть от основной массы сверхтекучей жидкости и одновременно наносят нанометровый слой сверхтекучей части на поверхность горячего спая платина-платинородиевой термопары и непрерывно измеряют температуру.

Отмеченные операции реализуются в едином процессе перетекания сверхтекучей части расплава борного ангидрида. При этом для проведения процесса используют устройство, принципиальная схема которого приведена на фиг. 1, где:

1, 2 - термопары, 3 - спай платина-платинородиевой термопары, 4 - платиновая лодочка, 5 - расплав В₂О₃ (особо чистый).

В начальный момент термопары устанавливают над расплавом таким образом, чтобы изгибы платиновой проволоки термопар не касались поверхности расплава. В градиентной печи, где находится лодочка с исследуемым расплавом, создается разность температур T₁-T₂. В этот момент термопары измеряют разность температур в газовом пространстве печи (фиг. 1, а). При погружении термопар в расплав спай термопары продолжает оставаться в атмосфере (фиг. 1, b) Расплав самопроизвольно поднимается по термопаре в виде тонкого нанометрового слоя, достигает поверхности спая и распределяется здесь в виде тонкого покрытия. Как показывают наши экспериментальные данные, движение (самопроизвольная миграция) сверхтекучего расплава всегда происходит в направлении от высоких температур к низким. Изменение направления градиента вызовет движение расплава в обратном направлении или остановит процесс.

На фиг. 2 представлен характер изменения температуры поверхностной пленки сверхтекучей жидкости (В₂О₃), где T₁ и Т₂ - температуры менее нагретого участка T₁ (860°С) и более нагретого участка Т₂ (900°С). С момента соприкосновения термопар с поверхностью сверхтекучего расплава происходит резкое изменение температуры менее нагретой термопары (фиг. 2, b). В течение 10-12 минут температура возрастает на 30-40 градусов и практически становится одинаковой на поверхности всей длины лодочки. Температура термопары с более высокой температурой остается при этом постоянной.

Полученные результаты объясняются следующим образом. Наблюдаемые термические эффекты были прогнозированы и являются проявлением когерентных свойств квантовой сверхтекучей части жидкости. Поверхностная пленка нанометровой толщины обладает, очевидно, аномально высокой теплопроводностью, что и является основной причиной выравнивания температуры в пределах поверхностной пленки и участков жидкости, покрывающих поверхность термопар по условиям смачиваемости.

Таким образом, первые результаты использования нового способа для термографических исследований сверхтекучего поверхностного слоя позволяют получить удивительную картину его изотермического состояния в условиях нахождения сверхтекучего расплава в поле температурного градиента. Когерентные свойства поверхностного слоя по результатам термографических исследований подтверждаются приведенными выше экспериментальными данными. Эти сведения представляют значительный интерес для более подробного исследования различных свойств сверхтекучих расплавов и особенно для интерпретации результатов термоэлектрических исследований.

Высказанные нами ранее предположения о невозможности создания температурного градиента в сверхтекучих квантовых жидкостях [1-2] находят свое экспериментальное подтверждение.

Изотермическое состояние поверхностного слоя при наличии температурного градиента может служить одним из определяющих признаков квантовой сверхтекучей природы исследуемых расплавов. При этом используется один из наиболее уверенно измеряемых параметров состояния - температура.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент на изобретение №2524396. Способ получения квантовых жидкостей сверхтекучих оксидных расплавов. А.Ф. Борисов, Е.В. Колосов, М.М. Буньков, В.А. Забелин, И.А. Кислицына, 26 февраля 2013.

2. Борисов А.Ф., Кислицына И.А.. Проявление признаков квантововых свойств жидкости в оксидных расплавах по результатам термоэлектрических исследований / А.Ф. Борисов, И.А. Кислицына // Приволжский научный журнал / Нижегор. Гос. Архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2011. - №4, - С. 110-117.

3. Борисов А.Ф., Забелин В.А. Заявка на изобретение (патент) от 05.06.2013, регистрационный номер 2013125987. Способ получения однокомпонентной сверхтекучей квантовой жидкости на основе расплава неорганического полимера.

Изобретение относится к области фундаментальной физики и может быть использовано при исследовании теплофизических свойств сверхтекучих квантовых жидкостей. Платина-платинородиевые термопары 1 и 2 погружают в расплав чистого борного ангидрида 5. Измеряют температуру нанометрового слоя сверхтекучей части расплава борного ангидрида 5 на поверхности горячего спая 3 термопар 1 и 2. Изобретение позволяет получить изотермическое состояние поверхностного слоя сверхтекучей части квантовой жидкости при наличии температурного градиента. 2 ил.

Способ измерения температуры и исследования когерентных свойств сверхтекучей части расплава, содержащего борный ангидрид, отличающийся тем, что платина-платинородиевую термопару погружают в расплав чистого борного ангидрида, измеряют температуру в момент образования и самопроизвольного натекания нанометрового слоя сверхтекучей пленки расплава борного ангидрида на поверхность горячего спая термопары.