WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 6 Низкотемпературная пластичность и динамика решетки твердого параводорода с изотопической примесью © Л.А. Алексеева, Е.С. Сыркин, Л.А. Ващенко Физико-технический институт низких температур Национальной академии наук Украины, 61103 Харьков, Украина E-mail: alekseeva@ilt.kharkov.ua (Поступила в Редакцию 31 июля 2002 г.

В окончательной редакции 1 октября 2002 г.) Исследованы особенности низкотемпературной пластической деформации твердого поликристаллического параводорода, легированного изотопической примесью (дейтерием). Получены зависимости скорости установившейся ползучести p-H2 от концентрации примеси и напряжения. Процесс деформации p-H2 описан с привлечением нулевых среднеквадратичных смещений образующих кристалл частиц. Сравнение теоретически вычисленных и экспериментально полученных величин x2 проведено для двух возможных изотопных форм молекул (а именно HD и D2) при трех уровнях напряжения. Установлена корреляция величин x2 с увеличением силовых констант p-H2, легированного изотопической примесью. Обсуждается рост среднеквадратичных смещений p-H2 в кристалле с ростом растягивающей нагрузки. Высказывается предположение о „деформационном очищении“ кристалла p-H2 от изотопической примеси.

Твердый параводород являет собой пример уникально- анализированы с учетом теоретических расчетов темпего кристаллического вещества, обладающего достаточно ратурных зависимостей среднеквадратичных смещений высокой степенью квантовости (см., например, [1]), кото- частиц. На основании такого анализа делается вывод рая, однако, может легко подавляться контролируемым о характере и величине изменения межмолекулярного образом [2–4]. Большая энергия нулевых колебаний H2 взаимодействия в твердом p-H2 с примесью молекул его полностью определяет динамику его решетки и кине- стабильных изотопных форм.

тику деформации, а также динамику дислокационной подсистемы, причем во всей области существования 1. Методика эксперимента кристалла, поскольку его температура кристаллизации много ниже дебаевской температуры (см. [1]).

Исследование проведено на поликристаллических обПроявлению квантовых туннельных эффектов в пларазцах p-H2. Образцы выращивались в ампуле криостичности твердого параводорода препятствуют, в частстата [6] из жидкой фазы параводорода. Концентрация ности, локальные несовершенства кристаллов — присутортомодификации была понижена до 0.2% в резульствие в них даже в сравнительно небольших количествах тате длительного выдерживания нормального водорода примесных молекул ортоводорода или дейтерия.

в конверторе в присутствии катализатора конверсии Наиболее радикально подавляет квантово-механичесFe(OH)3 при температуре кипения. С целью очистки кие особенности изотопическая примесь. Поэтому воот неводородных примесей напускаемый в конверторе прос о ее влиянии на кинетику деформации параводогазообразный водород пропускался через охлажденный рода относится к фундаментальным проблемам физики до температуры кипения азота активированный уголь, квантовых кристаллов. В этой связи прогресс в исследовании пластических и прочностных свойств p-H2 а отбираемые над жидким p-H2 пары — через находящийся при 20.4 K фильтр с высокой избирательностью тесно связан с расширением объема экспериментально по H2. В результате селективности фильтра чистота полученной информации относительно влияния изотоисследованного p-H2 относительно посторонних припической примеси на параметры деформации.

месей значительно увеличивалась (с учетом предельно В настоящей работе исследовано влияние изотопинизкой [7] упругости пара неводородных примесей — не ческой примеси на низкотемпературные пластические менее чем до 99.9999 mol.% (см. [5])).

свойства твердого параводорода. Измерены концентра ционные зависимости скорости его деформации в ре- Поскольку водород характеризуется наибольшей отжиме установившейся ползучести под действием по- носительной разностью масс изотопных разновидностей с заметно различающимся давлением насыщенных паров стоянно приложенного к образцам напряжения при температурах жидкого гелия. В дополнение к работе [5], над жидкими фракциями [7], в результате различия в которой обнаружено влияние примеси дейтерия на парциального давления изотопа и H2 в процессе началь скорость стационарного течения p-H2 только при ного медленного отбора газа для выращивания образцов одном уровне напряжения, здесь величины измере- происходило его естественное обеднение менее летучим ны при варьировании не только содержания тяжелого изотопом и обогащение более летучим основным компоизотопа H2 в образцах, но и величины приложенной нентом (см., например, [8]). Концентрирование менее лек кристаллам нагрузки. Полученные результаты про- тучего изотопа в жидкой фазе и соответственно в парах Низкотемпературная пластичность и динамика решетки твердого параводорода с изотопической... молекулярного p-H2 приводило к росту концентрации изотопической примеси в каждом выращенном последующем твердом параводородном образце по отношению к предыдущему. Это подтверждено анализами изотопных проб, выполненными с помощью масс-спектрометров (типа РОМС-1, г. Харьков; МХ-7304, г. Сумы).

Из них следовало, что отношение числа атомов D к числу протонов H изменялось от образца к образцу от c = 0.01% ± 0.005 at. % до c = 0.2 ± 0.002 at. %.

Выращенные образцы освобождались от стенок заключающего их контейнера посредством откачки паров над ними, отжигались вблизи T = 11 K и медленно охлаждались до заданной температуры. Их нагружение осуществлялось весами высокой чувствительности. Удлинение кристаллов измерялось индуктивным датчиком перемещения с точностью ±10-4 cm, температура — полупроводниковыми термометрами сопротивления с точностью ±2 · 10-2 K. Изменение деформации во времени t непрерывно записывалось автоматическим электронным потенциометром КСП4. Поликристалличность образцов (размер зерен до 1.5 mm) подтверждалась их визуальным наблюдением в скрещенных поляроидах.

Рис. 1. Кривые ползучести образцов p-H2, полученные для Температура варьировалась в интервале 1.8-4.2K.

указанных на рисунке значений концентрации c ( = 53.9kPa, T = 1.8K).

2. Экспериментальные результаты и их обсуждение На рис. 1 приведены типичные кривые ползучести (t) поликристаллических образцов p-H2, полученные при напряжении 53.9 kPa для трех различных концентраций c(0.01, 0.04, 0.22%). Видно, что изменение концентрации существенно влияет на характер кривых (t) и на определяемые из них параметры пластичности. Из рис. следует, что уменьшение значений c приводит к росту достигаемой за один и тот же период времени при = const величины деформации p-H2, а также к значительному сокращению времени, по истечении которого поликристаллы p-H2 оказываются в режиме стационарного пластического течения с неменяющейся во времени величиной производной d/dt. Из рис. 1 также следует, что по мере уменьшения величины c скорость деформа ции кристаллов p-H2 на стадии установившейся ползучести существенно возрастает и достигает предельно высоких значений на нижней границе исследованного концентрационного интервала c = 0.01%.

Рис. 2. Температурные зависимости скорости ползучести Эксперименты, проведенные на тождественных по p-H2, полученные для напряжения = 53.9 kPa при указанных изотопному составу образцах при разных температурах, на рисунке значениях c. Сплошная кривая — данные [6] для показали, что на фоне резкой зависимости скорости поликристаллов n-H2 (см. в тексте).

деформации p-H2 от содержания в нем изотопической примеси величина, измеренная для большого набора значений концентрации при одинаковой нагрузке, во всем изученном интервале, c и T оказалась практи- сравнения в виде сплошной кривой показана темпера чески не зависящей от температуры. Эту особенность турная зависимость (T ) скорости ползучести, измерениллюстрирует рис. 2, на котором для одной из нагрузок ная в [6] примерно для той же величины (58.8 kPa) ( = 53.9kPa) представлены значения, полученные в случае поликристаллов n-H2 (75% орто-H2). Видно, для образцов p-H2 с различным содержанием D / H. Для что изменение температуры более чем вдвое от 1.5 Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1026 Л.А. Алексеева, Е.С. Сыркин, Л.А. Ващенко до 4.2 K практически не приводит к изменению вели чины, поэтому ее влиянием на низкотемпературные величины по сравнению с влиянием примеси можно пренебречь.

Полученные в экспериментах зависимости, таким образом, указывают на решающую роль примесных молекул тяжелого изотопа водорода в развитии деформации p-H2 под действием постоянно приложенного напряжения. При этом наблюдается значительное упрочнение p-H2 уже при слабом легировании. При введении в параводород сравнительно небольшого количества изотопической примеси (по числу атомов D / H 0.2%) значения скорости стационарного течения образцов поликристаллического p-H2 приближаются по величине к характерным для поликристаллов водорода нормального орто-пара состава (75% o-H2). Наблюдаемое влияние изотопической примеси на скорость аналогично влиянию на другие физические величины, в частности, на коэффициент теплопроводности H2 [9].

Рис. 3. Концентрационные зависимости скорости ползучеПроведенные эксперименты показали, что скорость сти p-H2 в полулогарифмических координатах, полученные стационарного пластического течения p-H2 в интервале для разных значений приложенного напряжения: 1 — 16.7, гелиевых температур 1.8-4.2 K оказалась величиной, 2 — 53.9 [5], 3 — 99.0 kPa.

чрезвычайно чувствительной к содержанию в образцах изотопов. Резкая зависимость скорости ползучести p-H2 от концентрации изотопической примеси указывает на то, что регистрируемые для = const низкотем- дислокаций через седловую точку барьера U, обуслов пературные значения обусловлены взаимодействием ленного в данном случае упругими напряжениями, воздислокаций с примесными молекулами. Практическая никающими в решетке p-H2 из-за размерного несоответ независимость от температуры, реализованная на фоне ствия примесных и матричных молекул. Связанная с на резкой чувствительности к содержанию изотопической пряжением энергия определяется также размером примеси, свидетельствует от том, что в процессах от- активационного объема кристалла, в котором разыгрывакрепления дислокаций от примесных центров основную ется элементарный акт деформации. Зависимость велироль в p-H2 играют не термические, а квантовые флук- чины от концентрации примесей определяет поведение туации [10]. скорости в зависимости от концентрации примесных Скорость пластической деформации в зависимости от молекул. С их появлением в кристалле прямолинейное положение дислокации оказывается нестабильным. Она температуры в ряду криокристаллов (включая p-H2 [11]) принимает сложную зигзагообразную форму, которая может быть представлена в пределе T 0K в форме обеспечивает выигрыш в энергии связи дислокации закона соответственных состояний [12] с примесными молекулами при проигрыше в энергии ли f ( x2 / x2 ). (1) нейного натяжения и увеличении ее длины [13]. Поэтому 0 m уже на ранних стадиях деформации исследованного p-H Величины при этом определяются относительным в нем начинают превалировать дислокационные конуровнем нулевых среднеквадратичных смещений x2 фигурации в виде сегментов, „зависших“ на примесях.

образующих криокристалл частиц. Опираясь на закон В этом случае для классических (например, металличесоответственных состояний [12], скорость ползучести ских) кристаллов при описании поведения параметров твердых растворов на основе p-H2 для области низких пластичности теория указывает (см. [14–16]) на необтемператур можно записать (с точностью до константы, ходимость учета вероятности прохождения дислокаций примерно равной единице) с помощью выражения арре- через образованный примесью барьер из-за наличия ниусовского типа распределения дислокационных сегментов по их длинам.

На рис. 3 в полулогарифмической шкале представлены U - концентрационные зависимости скорости установившей = 0 exp -, (2) ( x2 / x2 )kTm ся ползучести образцов p-H2 для трех разных значений 0 m приложенного напряжения (16.7, 53.9 и 99 kPa). Имея где x2, x2 — среднеквадратичные смещения частиц в виду теоретические результаты [16], мы выбрали в ка0 m при 0 K и температуре плавления Tm. Это выраже- честве абсциссы произведение (c-2/3 ). Из рис. 3 видно, ние предполагает протекание деформации посредством что все три полученные зависимости ln = f (c-2/3 ) направленного, инициируемого напряжением потока характеризуются наличием протяженных прямолинейФизика твердого тела, 2003, том 45, вып. Низкотемпературная пластичность и динамика решетки твердого параводорода с изотопической... Экспериментально найденные величины нормированных нулев p-H2 как в виде молекул HD, так и в виде молекул D2.

вых среднеквадратичных смещений 0(exp) в p-H2 для трех В качестве параметра a использовалось экстраполирорастягивающих напряжений ванное значение для T = 0K (a = 0.37835 nm [22]). Из измеренных величин tg по формуле (3) получены зна, kPa Молекула ( V /V ) Величина чения 0(exp) нулевых среднеквадратичных смещений 16.7 53.9 99.частиц в p-H2. Эти значения приведены в таблице для HD -0.068 0 (exp), HD 0.628 0.837 1.004 случаев обеих изотопных форм в p-H2 и трех значений 2 растягивающего напряжения.

D2 -0.138 0 (exp), D2 0.496 0.661 0.С целью анализа полученных результатов проведена теоретическая оценка величин 0 для p-H2, в том числе с присутствующими в нем примесными молекулами ных участков, что указывает на решающую роль для деприродных стабильных изотопных форм. Для этого мы формации p-H2 примесных молекул, находящихся в объвоспользовались температурной зависимостью среднееме кристалла [17]. Отклонение от прямой в области маквадратичных смещений атомов в чистых и примесных лых c обусловлено включением при больших скоростях ГЦК кристаллах из [23]. Поскольку среднеквадратичное движения дислокаций механизмов торможения, опредесмещение в идеальных бездефектных структурах опреляемых наличием в образцах остаточной примеси o-H2.

деляется главным образом числом ближайших соседей, При этом на эффективную длину свободного пробега и учитывая „идеальное“ отношение параметров c/a дислокаций могут влиять как одиночные ортомолекулы, ГПУ структуры p-H2 [1], а также полную эквиваленттак и их кластеры [18] (для ортосодержания 0.2% ность этих решеток по числу ближайших соседей, велив основном парные [19]). По характеру взаимодействия чины x2, вычисленые с помощью Якобиевых матриц с дислокацией они мало отличаются от обычной див модели ГЦК кристалла, не должны сильно отличаться латирующей примеси. Преодоление таких препятствий от значений x2 для идеальной ГПУ структуры.

может осуществляться как за счет термических, так и за На рис. 4 приведены температурные зависимости xсчет квантовых флуктуаций (подробнее см. в [19]).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.