Способ измерения высоких давлений при низких температурах и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01N24/08 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике изме15ения высоких гидростатических давлений (до 30 тыс. .атм.) при низких температурах (в интервале гелиевых температур 1-5 К), .и может найти пр11менение в научном эксперименте. .. Известен способ измерения высоких и сверхвысоких давлений, используе.мый в. широком интервале температур, путем измерения длины волны узкой линии люминесценции рубина. Датчиком давления в этом способе, является монокристалл рубина ( + Ci ), выбор которого среди других возможных ввществ обусловлен малой шириной линии, большой величиной барического коэффициента длины волны, линейность градуировочной кривой до 300 тыс.атм и большой интенсивностью линии излучения люминесценции. Манометр, основанный на этом сдособе, нашел пшро-. кое. применение в ячейках сверхвысоких давлений - алмазных наковальнях. Точность измерения давления при записи линии 0,5-1 тыс..атм., а при ручной настройке на максимум линии люминесценции 2-3 тыс. атм. LI

Однако необходимость .иметь оптические окна в камере высокого давлеНИН и криостате сильно сужает област применения способа. Манометр, основанный на этом способе, имеет сложную и дорогостоящую вторичную аппаратуру, которая зачастую оказывается сложнее аппаратуры для п| оисходят под давлением физических исследований. Кроме того, точность и-змерения недостаточная в интервале давлений

0-30 тыс. атм., ,хара.ктерном для каме типа цилиндр-поршень при низкотемпературных исследованиях.Наиболее близким к. изобретений является способ- измерения- высоких давлений при низких темнературах, включающий-измерение частоты магнитного .резонанса активного элементу, и устройство для его осуществления, содержащее спектрометр магнитного резонанса, включакщий .резонатор с активным элементом,, размещённым в сосуде высокого давления, и модулируемый ислгочник высокочастотной мощности, подключенный к резонато- ,

РУ 2. -.

Способ и-устройство основаны на. зависимости от давления параметра начального расщепления 2D спектра электронного парамагнитного резонайса (ЭПР) ионов Сг в рубине {ABj Од + СР ), монокристалл

которого помещен в камеру высокого давления. Параметр 2D не зависит от температуры и изменяется почти линейно с давлением, соответствующий барический коэффициент Д (2D)fiP

21,3 МГц/тыс.атм. , гдеА - изменЪния параметра D и давления Р. По смещению линий спектра ЭПР судят о величине давления в камере. При ширине линии резонанса в рубине 153 и ошибке измерения резонансного поля 33 точность измерения давления укаванньм способом составляет 0,4 тыс.атм.

Основным недостатком известного способа .и устройства является относительная сложность конструкции и Недостаточная точность измерений.Указанный способ и устройство применяются при исследованиях под давлением веществ методом ЭПР,когда в камере высокого давления-, резонатор спектрометра ЭПР, вместе с исследуемым образ.цом можно разместить также монокристалл рубина Кроме того, процесс измерения давления с помощы известного; способа.является сложным и продолжительньам что обусловлено рядом факторов; необходимостью точной ориентации монокристалла ру биИ-а относительно направления магнитного поля, необходимостью точного измерения значения резонансного .магнитного поля как при измеряемом да влении, так и при нулевом давлен ии т..е.. в разгруженном состоянии камеры высокого давления.

. Пелью изобретения является повыхяение точности измерений и расширение области использования..

Поставленная цель достигается там, что согласно способу измерения высоких давлений при низких температурах, включающему .намерение частоты магнитного резонанса активного SJjeMeHTa, в качестве активного элемен.та используют кристаллы слабого ферромагнетика , измеряют частоту магнитного резонанса ядер во внутренних магнитных полях указанных кристаллов и по значению этой частоты судят о в.еличине давления..- . В устройстве для измерения .высоки давлений при нИзких температурах/ содержащи с.пектрометр магнитного резонанса , включающий резонатор с активным элементом, раз ещенным в юосудевысокого давления, и модулируемый источник высокочастотной мсяцности, подключенной крезонатору, резонатор выполнен в виде однослойной катушки, активный элемент выполнен из монокристалла слабого ферромагнетика F.eBO, а спектрометр магнитного резонанса выполнен в виде автодинного спектрометра ядерного . магнитного резонанса с частотяйй модуляцией.

. Соединение FeBOg является слабым ферромагнетиком с магнитной кристал-; лографической анизотропией типа легкая плоскость и высокой температуро ;магнитного упорядочения Т« 348 К. Магнитный резонанс fe .(ЯМР) наблюдается в этом соединении во внутрен них магнитных пйлях на ядрах, созда ваемых электронной оболочкой ионов Fe, без наложения внешнего магнит ного поля. Частота в функци температуры при нормальном давлении изменяется оф - яачения S) - 76,439 14 до О при из Аёйёй и температуры от О до 348 К. В этом интервале температур, можно вьщелить две характерные Области: 15-340 К, где частота ЯМР сильнозависит от температуры, и 0-5 К, где заврсимосТВ частоты ЯМР от темпарутры очень слабая, что поз воляет йспользо. .РеВОэ в этой области, для измерения давления. Физическая сущность зависимости частоты ЯМР от давления заключается в следующем. . Частота пропорциональна внутреннему (так называемому сверхтонко 5jy) полю на ядрах-ионов fe, которое о.бразуется вследствие поляризации внутренних 5 -оболочек иона внешней нескомпенсированной 3d-o6oло.чкой, обуславливающей магнетизм соединения. При всестороннем сжауии кристалла изменяются перекрытия ,3d-оболочки иS-оболочек и следов а т ель но у с теп ёньполяри з ации последних. Кроме того, иэменяется электронная плотность на ядреЗ-элек тронов..изменения этих факторов и вы зывают зазисимрсть поля на ядре и, в свою очередь, частоты 9 ЙМР от давления Р. Зависимсэсть -Ч (Р.) практически не поддается расчету. I ... . ..- . Экспериментально изучены некоторые особенности явления ЯМР в-РеВОд делающие его уникальным для манометрических целей. Так., расшире.ние области использования спрсоба. связан со следукщим: сигналы очень интенсивны даже при .естественном содержащий изотопа. По этой причине детектирование сигналов легко осуществляется простейшими автодинам.и с .частотной модуляцией и визуальным наблюдением на экране осциллографа. Схемы таких автодинов составлены из нескольких транзисторов. Опытная про верка показывает, что визуальное наблюдение сигналов возможно с соотношением сигнал - шум 30:1 на монркристалле объемом 0,005 см. Поэтому вторичная аппаратура соответствующего манометра несравненно проще, чем манометра, основанного на ЭПР рубине,, и является общедоступ ной. Физической причиной интенсивног го ЯМР-поглощения . в случае FeBOg является уникально большое значение коэффициента усиления характе ризйрукщего явление ЯМР в магнитоупорядоченных кристаллах. Значение t для ядер в доменаХ определяется отношением Н,/Нд , где Ню - сверхтонкое поле на ядрах (Нп 0, Э) j . Идц - поле .анизотропии в базисной плоскости кристалла, для которого оценена лшйь верхняя граница (0,5 Э). Опытные данные показывают, что а сигналы происходят, как от ядер в доменах, та.к и в донённых границах. , „ Поскольку рйзонансная линии.ЯМР Fe наблюдается без наложения внеш-; него мавнитного поля, отпадает необходимость применять громоздкий и дорогостоящий электромагнитам мощный стабилизированный блок питания электромагнита, необходимые для наблюдения ЭПР в рубине. Благодаря этому становится возможньам измерение давления в камерах, выполненных из маг.нитных материалов, например из сталей. . . Поскольку длина волны Я дрс-таточно большая (,9 м вместо длин волн 0,1-10 см, йспользуемБК в технике ЭПР), соединение камеры высокого давления со спектрометром производится простой коаксиальной линией малого диаметра, а не волноводом. Ста.Иовится возможным использование электровводов обычного типа,применяемых для цепей постоянного тока. Прецизионный СВЧ-резонатор, имекадий значительные габариты, заменяется баритной однослойной ВЧ катушкой, состоящей из нескольких витковпровода обычно медного, внутри которой размещается активный эледлент, Благодаря этому предлагаемый способ измерения давлений может, быть использован в большинстве случаев физических низкотемпературных исследований при высоких давлениях, а не только в случае исследований методом ЭПР. Упрощение процесса измерения давления связано со следующим. Отпадае.т такая операция, как точ.ная ориентацияоси Симметрии монокристалла рубина ртносительно направления постоянного магнитного до/гя. Нётрчнаяориента1щя базисной ftjldxsicocти монокристалла относительно оси катушки в ма.лои степени влияет лишь на интенсивность сигналов ЯМР (сигналы максимальны, когда базисная плоскость параллельна-я оси катушки) , но совершенно не влияет на частоту ЯМР, поскольку сигналы наблюдаются Во внутренних полях кристалла. Кроме того, ввиду, хорошей воспроизводимосги значений частоты ЯМР нет необходчг мости измерять значение частоты в разгруженном состоянии камеры высокоi o давления, достаточно провести из- мерения под давлением, Повышение то-чностииизмерения давленйя связано с малой шириной линии - Ar ЯМР5 Fe в f еВО-у. при. ниэких температурах. Например, при К, кГц. Это обусловлено тем, что в отсутствует главный механизм уширения линий ЯМР в ферромагнетиках - распределение магнит.ных полей для ядер в доменной стенке обусловленное дипольными и анизотропными сверхтонкими полями. В имеются доменные стенки неелевскрго и блоховского типов, намарни еннрсть в которых вращается в базиснрй плоскости кристалла, благодаря /нему ЯИ прльных вклад в резонансную частоту остается постоянным. Поэтому линии ядер в, доменных стенках не уширяются по сравнению.с линигши ядер в объеме доменов. Так как спин ядер Ре 3 г Л /2, отсутствует также квадруполь ный механизм уширения линий. Йосколь ку для обеспечения высокой чувствительности и точности важно ббльшое ; значение параметра (1ДР ) () малая ширина линии столь же необходама, как и бодьпюе значение барического коэффи 1иента частоты. На фиг.Г представлена графическая зависимость частоты ЯМР 5 е от дав ления- при Т 4,2 К; на фиг.2 схема тически изображено устройство для измерения высоких давлений при НЯЗких температурах. П р им е р . Проводилось измере ние частоты во внуц ренних магнитных полях монокристалла F eBOj в зависимости от давления. . . Измерения выполнены в Камере высркого давлен-ия типа Щилиндр-прршен -В диапазоне давлений 0-16 тыс.атм. при Т 4,2 К. -Для определения вида зависимости-7 () использовался индиевый сверхпроводящий манометр и калибровочная зависимость для Т|(Р) индия, где TK - значение температуры сверхпроводящего перехода при давлении Р. Камера заполнена масвяно-керосиновой смесью с соотнсяцением компонен тов 1:1. Давление создавалрсь и фивсировалось при комнатной :гемпературе затем камера гмедлеИно охлаждалась до температуры жидкРго-гелйя ипроизводилось измерени18 частоты ЯМР. После этого измерялось давление в камере сверхпроводящим манометром. На фиг.1 изображена полученная зависимость частоты ЯМР 57 Fe в функции давления при Т 4,2. ЗависиМРсть шее линейньй характер в исследованнем интервале давлений. Разброс точек на фиг.1 обусловлен главным образом неточностью измерения давления сверх проводящшл манрметрсм. Воспроизводю ость измерения частоты Ямр5 Fe при 4/2 К и вормальном давлении исследована для монокристаллов, выр аейных из раствора в расплаве и взятых из различных пар- . тий, отличающихся составом шихты и условиями роста. Оказалрсь, что при визуальной регистрации линии на экране осцилографа воспроизводимость частрты ЯМР на хуже чем 0,1-0,2 кГц, а 76,4382, МГц. Исходя из этой ошибки измерения чд1стоты. Можно сделать вывод, что предлагаемый способ дозволяет измерять давление с ошибкой В 2-4 раза-меньшей,чем у известного способа/ Определено значение барического коэффициента частоты д9/др 2,3 кГц/тыс, атм. и найдено, 1тр квадратичш ми поправками можно . пРйностью пренебречь. Высокая вое- . щ рйэводимрсть зна.чения частоты при HyjieBOi-i давлении евидетельствует о тсад, что- нет необходимрсти в ее определении для каждбй серии измереНИИ давления. Устройство для измерения вцсоких давлений пр.и низких температурах (фиг.2) включает активный элемент 1, выполненный в виде монокристалла РеВОз и помещенный в катушку 2, изготовленную, например, из медного провода и подсоединенную к электроBBojjy 3, и автодинный ЯМР-спектрометр 4. Активный элемент расположен в камере 5 высркрго давления. ЯМРспектрометр включает модулируемый источник 6 высокочастотяой мощности, подключенный через коакх:иальную линию 7 и электроввод 3 к резонатору, -а также частотомер 8 и осциллограф 9. - Устройство работает следующим образом. ВысокРчастРтная энергия от модулируемого истрчника 6 высокочастотной мощности подводится к здектровводу 3 и, соответственно, к катушке 2 по линии 7. Нродетектирован«мй сигнал поступает на вхРд вертикальнрго отклонения осциллографа 9, а напряжение низкой частоты, используемое для мрдудяции источника 6 высокочастотной мощности - на вход горизонтального отклонения. При достижении резонансных условий в центре экоана осциллографа наблюдают резонансную линию. Затем при выключенной частотной модуляции измеряют значения частрты резонанса с помсмцью частотомера 8-. Значение давления определяют по формуле (0)(Р), где Kptr - барический коэффициент частрты ЯМР Fe лр,р гелиевых температурах;т(О)- табулированное значение частоты при данной т 1пературе и нормальном давленим;

(Р)- значение частоты

при данной температуре и измеряемом давлении; ,; Использование предлагаемого спосЪ ба и устройства для его осувдествления позволяет по сравнения с существукщими расширить область применения становится возможным .измерение вы- . соких давлений в диапазоне гелиевых температур в большинстве видов физи- О ческюс, исследбваний при работе с .

камерами «ак из магнитных, так и немагнитных материалов; упростить процесоризмерения давления, поскольку отпадает необходимость ориентации активного элемента и регистрации резонанса.при нулевом давлении;, в 2-4 .раза повысить точность измерения дгшлениж существенно упростить конструкцию датчика и уменьшить его габариты,, .снизить требования и электровводу камеры высокого давления и соединительной линии.

) Г. Способ измерения высоких давлений при низких температурах, включающий измерение частоты,магнитного резонанса активного элемента, отличающийся тем, что,ее целью повышения точности измерений и; расширения области использования, в качестве активного элемента используют кристаллы слабого ферромагнетика FeBOj, измеряют частоту магнитного резонанса ядер Fе во внутренних магнитных полях указанных кристаллов и по значению этой частоты судят о величине давления. 2. УстрсЛство для измерения высоких давлений при низких iтемпературах, содержащее спектрометр магнитного резонанса, включающий реарнатор с активным элементом, размеренным в сосуде высокого давления, н модулируемый источник высокочастотной мощности, подключенный к резонатору, i о т л и ч а ю щ .е е с я тем, что, с целью упрощения устройства и повышения точности; ;измерений, резонатор выполнен в виде однослойной катушки, активный элемент выполнен из монокристалласлабого ферромагнетика РеВОэ, а спектрометр магнитного резонанса выполнен в виде .автодинного спектрометра ядерного магнитного резонанса с частотвв{ «содуляцией. i(ik 00 ро 00