Диссертация (1024675), страница 20
Текст из файла (страница 20)
В качестве образцового вещества использовалась электролитическаямедь чистоты 99.996 %, переплавленная и отожженная в вакууме. Результаты определения теплоемкости калориметрической ячейки, полученные из непосредственных измерений и путемкалибровки по образцовому веществу, практически совпадают. Отклонения от значений теплоемкости государственного стандарта меди [345, 465, 467] не превышают случайной погрешности установки.Теплоемкость калориметра с образцом определяется путем выполнения следующих операций:1.Образец загружается в калориметр, при помощи болтиков зажимается в ячейке и под-вешивается внутри следящего экрана на капроновых нитях. Вакуумная камера герметично закрывается и откачивается до давления 1×10-4 Торр.
Вакуум достигается системой форвакуумного насоса НВР-16Д и диффузионного насоса Н-005.2.Откачанная камера помещается в криостат, заполненный жидким азотом. Затем в ка-меру напускается газообразный гелий, и калориметрическое устройство охлаждается до температуры жидкого азота.3.Включается система автоматического поддержания адиабатического режима на осно-ве BРT-3. При температурах ниже Т = 100 К работают два канала: канал следящего экрана и канал кольца следящего экрана. При более высоких температурах включаются еще каналы термоэкрана и кольца термоэкрана. Включение разных каналов при определенных температурах иподдержание определенной разности температуры между следящим экраном и термоэкраномосуществляется с целью создания оптимальных условий для работы следящего экрана, ближайшего к калориметру с образцом.4.Снимается температурный ход калориметра – то есть изменение его температуры вотсутствие омического нагрева.
Температура определяется путем измерения сопротивлениятермометров ТСГ-2 или ТСПН-3. Продолжительность измерения хода калориметра составляет10 – 12 минут в области температур ниже Т = 80 К и 15 – 30 минут в интервале 80 – 300 К. Повеличине ход калориметра в области выше 10 К не превышал 0.01 К/час. Точно так же ход калориметра снимается и после главного периода опыта, после нагрева.5.Нагрев осуществляется за счет выделения джоулева тепла на нагревателе калоримет-ра, схема приведена на Рисунке 2.3. Одновременно с подачей на нагреватель постоянногонапряжения от стабилизированного источника питания У-1199 включается хронограф. Продолжительность нагрева составляет 5 – 10 минут при Т < 80 К и возрастает до 25 – 30 минут при95300 К.
В течение периода нагрева один или два раза (в зависимости от длительности нагрева)измеряется мощность, выделяемая нагревателем калориметра, затем определяется средняямощность нагрева. По истечении времени нагрева одновременно прекращается подача напряжения на нагреватель калориметра и выключается хронограф, который регистрирует времянагрева с точностью 0.1 секунды.Рисунок 2.3.
Схема измерения мощности нагрева: 1 – заместитель нагревателя, 2 – нагревателькалориметра, Р-363 – потенциометр, У-1199 – стабилизатор напряжения постоянного тока6.Величина теплоемкости калориметра с образцом определяется по формуле:CP U нагр. U кат.обр. tRкат.обр. T.Здесь Uнагр. – среднее падение напряжения на нагревателе калориметра, Uкат.обр. – среднеепадение напряжения на образцовой катушке сопротивления, включенной в токовую цепь нагревателя; Rкат.обр.
– сопротивление образцовой катушки; t – время нагрева; ΔТ = Т2 - Т1 – изменениетемпературы калориметра, вызванное выделившимся джоулевым теплом на нагревателе калориметра; Т1 и Т2 – температуры калориметра до и после нагрева, определенные экстраполяциейходов калориметра в середину времени нагрева (Рисунок 2.4).Рисунок 2.4. Схема определения температуры в калориметрическом опыте96Теплоемкость образца определяется вычитанием предварительно определенной теплоемкости калориметра при данной температуре из общей теплоемкости.Относительная погрешность определения теплоемкости, очевидно, складывается из относительных погрешностей определения величин, измеряемых в процессе опыта:C P U нагр. U кат.обр.
t Rкат.обр. (Т ).CPU нагр.U кат.обр.tRкат.обр.ТДополнительные погрешности при измерении теплоемкости возникают при нарушенииадиабатических условий проведения калориметрического опыта [468]. Эти погрешности обусловлены возможным теплообменом излучением, за счет потока тепла по подводящим проводам и конвекции остаточного газа. Мощность теплообмена излучением Pизл. = 4SσεT 3ΔТ, где S –площадь поверхности калориметра, равная 1.4×10-3 м2, σ = 5.67×10-8 Вт/(м2 К4) – постоянная излучения; ε = 0.1 – излучательная способность тела, ΔТ – разность температур между калориметром и следящим экраном.Мощность теплообмена по подводящим проводам Pпровод.
= k n Sn ∆T/ l, где k – коэффициенттеплопроводности, n – число проводов, подходящих к калориметру (в установке n = 16); Sn – сечение подводящих проводов (Sn = 5×10 -8 м2); l = 8×10 -2 м – длина проводов между калориметром иследящим экраном, ΔТ – разность температур между калориметром и следящим экраном.Мощность теплообмена по остаточному газу Pгаз.= 0.016 SаoP(TK-T)/√Т.Здесь S – площадь поверхности калориметра; a0 – приведенный коэффициент аккомодации, приблизительно равный 1; P = 1×10-4 Торр – остаточное давление в калориметрическойкамере; Тк.
и Тв. – температуры калориметра и ванны соответственно.Так как разница температур ΔТ между калориметром и следящим экраном поддерживается не более 0.001 К, то вклад двух первых механизмов теплообмена в погрешность определения теплоемкости не превышает 0.1 – 0.2 % при самых низких температурах. С ростом температуры он уменьшается.Вклад теплообмена по остаточному газу составляет приблизительно (0.5 – 3)×10-1 %.Погрешность из-за нарушения адиабатических условий опыта после включения и выключения нагрева оценивается приблизительно в 0.2 % [468].Из приведенных расчетов, а также с учетом результатов калибровочных измерений;погрешность определения теплоемкости в интервале температур 55 – 300 К ограничиваетсявеличиной 1 %.Часть калориметрических измерений была проведена на калориметре ООО «Термакс», реализующем классический метод адиабатической калориметрии.
Погрешность определения теплоемкости в интервале температур от азотной до комнатной не превосходит ± 0.5 %.972.2 Методика рентгеновских измеренийИсследование температурной зависимости коэффициента теплового расширения осуществлялось рентгенографическим методом, основанным на определении положения дифракционныхмаксимумов, лежащих в области больших углов. Измерения проводились на модернизированномрентгеновском аппарате ДРОН-3 с использованием специальной низкотемпературной камеры[469, 470] (см. Рисунок 2.5) и автоматизированной системы задания и поддержания температуры.Рисунок 2.5. Устройство низкотемпературной камеры:1 – гелиевый сосуд, 2 – кювета для крепления образцов, 3 – азотная рубашка,4 – газовый тепловой ключ, 5 – бериллиевые окна, 6, 7 – тонкостенные трубки, 8 – верхнийфлянец, 9 – корпус криостата, 10 – капилляр, 11 – гелиевый радиационный экран,12 – адсорбционный насос, 13 – растяжка, 14 – узел крепления растяжки, 15 – теплоотвод98Корпус криостата 9 выполнен из дюралюминия в виде единой части, уменьшена его высота.
Бериллиевые окна 5 и крепления растяжек 14 перенесены на единый корпус криостата. Кверхнему флянцу криостата 8 при помощи тонкостенных нержавеющих трубок 6, 7 крепятсяазотный и гелиевый сосуды. Теплоотвод 15, выполненный в форме усеченного конуса из меди,имеет хороший тепловой контакт с азотной ванной и уменьшает теплоприток к гелиевому сосуду 1 по трубке 7.С целью понижения температуры радиационного экрана и соответственно уменьшениятеплопритока к гелиевому сосуду за счёт излучения, стенки рубашки 3 сделаны полыми и заполняются жидким азотом.Нижнее и верхнее донышко сосуда сделано сферическим с целью уменьшения влияниядеформации гелиевого сосуда при изменении его температуры и давления внутри его на положение кюветы относительно оси криостата и, соответственно, оси гониометра.Для получения более низких температур, чем в камере 1, кювета 2 закрыта гелиевым радиационным экраном 11 с бериллиевыми окнами и соединяется с гелиевым сосудом автоматическим газовым ключом.Устройство кюветы с газовым ключом показано на Рисунке 2.6.Рисунок 2.6.
Кювета для крепления образцов: 1 – образец, 2 – кювета,3 – монокристаллическая пластинка, 4 – пружина, 5 – прижимы, 6 – тонкостенная трубка(газовый ключ), 7 – капилляр, 8 – нагреватель, 9 – дно гелиевого сосуда, 10 – растяжкаКювета 2 крепится ко дну гелиевого сосуда посредством тонкостенной трубки из нержавеющей стали с перегородкой 6, выполняющей роль теплового сопротивления.
Объем нижнейчасти трубки соединен капилляром 10 с гелиевой ванной.Температуру образца можно регулировать с помощью нагревателя 8 в широких пределах.Измерение температуры образца производится термопарой хромель-медь +0.15 ат. % Fе термопарой, прокалиброванной по эталонному угольному термометру сопротивления от 4.2 К до 300 К.99В рамках настоящей работы при рентгенографических измерениях в качестве хладагентаиспользовался, за исключением случая с кристаллом SrGa11Mg0.5Zr0.5O19, только жидкий азот,который наливался как в азотную рубашку 3, так и в «гелиевый» сосуд 1) (Рисунок 2.5). Используя откачку паров азота из сосуда 1 с помощью форвакуумного насоса, исследуемый образец в этой низкотемпературной камере можно охладить до Т ≈ 54 К.2.3 Методика низкотемпературных измерений теплопроводностиДля проведения эксперимента, исходя из поставленных задач, особенностей объектов исследования и технических возможностей, был выбран абсолютный стационарный метод продольного теплового потока.
Этот метод основан на уравнении Фурье [471] в виде:Q=kdTS,dlгде Q – тепловой поток через поперечное сечение S образца;dT– температурный градиент вдоль образца, определяемый нами как отношение перепадаdlтемпературы ∆Т между датчиками, укрепленными на образце, к расстоянию ∆l между ними.2.3.1 Описание установкиПри разработке конструкции установки для измерения теплопроводности за основу былпринят Государственный специальный эталон единицы теплопроводности [472], в свою очередьбазирующийся на конструкции криостата [473].
Схема измерительной камеры установки, используемой в настоящей работе для экспериментального определения теплопроводности твердотельных образцов в интервале 50 – 300 К (в некоторых случаях от 5 К), приведена на Рисунке 2.7. Величина перепада температуры ∆Т вдоль образца 1 измерялась дифференциальной термопарой 2 состава хромель – Cu+Fe и составляла от ≈ 0.04 К до ≈ 1.5 К во всем исследованноминтервале температур.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
