Анотація до роботи:

Сирников Є.В. Кінетичні процеси при фазовому розшаруванні слабких твердих розчинів ⁴Не у ³Не при наднизьких температурах. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.09 - фізика низьких температур. На правах рукопису. Фізико-технічній інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, Харків, 2005.

За допомогою прецизійних вимірювань тиску вперше здобуті дані щодо кінетики процесу розшарування та массопереносу в слабких твердих розчинів ⁴Не у ³Не в інтервалі температур мК, концентрацій ⁴Не і тисків МПа. Виявлено, що характерний час встановлення рівноважного стану t при розшаруванні твердого розчину істотно залежить від ступеня переохолодження. Отримано зв'язок між значеннями t і ефективним коефіцієнтом масової дифузії шляхом рішення дифузійного рівняння з урахуванням поверхневого опору, що виникає при переході атомів ⁴Не з розчину у включення нової фази. Показано, що адекватний опис експериментальних даних у рамках кінетичної теорії тунельного переносу домішок в умовах їхньої істотної взаємодії один з одним може бути отриманий в припущенні, що коефіцієнт дифузії ⁴Не у ³Не залежить від концентрації по закону х^-4/3. Аналіз результатів експерименту по кінетиці зародкоутворення при фазовому розшаруванні показав, що вони можуть бути описані в рамках теорії гомогенної нуклеації. Це дозволило вперше визначити міжфазний поверхневий натяг, концентрацію зародків, та характерний розмір включень нової фази. Здобуто перші відомості про кінетику росту та розчинення нової квантової системи – нанокластерів ⁴Не з делокалізованими вакансіями. Показано, що процеси росту та розчинення кластерів сильно асиметричні. Встановлено вплив нанокластерів на вид діаграми фазового розшарування.

Основні результати роботи можна сформулювати таким чином:

1. За допомогою рефрижератора розчинення методом прецизійного виміру тиску при постійному об'ємі одержані перші систематичні кількісні дані про кінетику фазового розшарування слабких твердих розчинів ⁴Не у ³Не.

2. Встановлено температурну залежність характерного часу фазового розшарування слабких твердих розчинів ⁴Не у ³Не при одноразовому охолоджені. Виявлено, що істотно зменшується зі збільшенням ступеня переохолодження , але після досягнення деякої температури інтенсивного зародкоутворення перестає залежати від . Вперше визначена температура інтенсивного зародкоутворення, що фігурує в теорії гомогенної нуклеації.

3. Встановлено концентраційну залежність характерного часу фазового розшарування слабких твердих розчинів ⁴Не у ³Не при східчастому охолодженні, яка відповідає процесу дифузійного росту твердих включень ⁴Не. Показано, що така поведінка може бути описана концентраційною залежністю коефіцієнта дифузії , яка була передбачена теоретично.

4. Вперше визначено час релаксації, пов'язаний з проникненням домішкових атомів ⁴Не скрізь границю між матрицею та включеннями нової фази. Виявлено, що цей «поверхневий» час релаксації, обумовлений граничним опором, домінує над «дифузійним» часом при великих переохолодженнях, а величина поверхневого опору на границі становить см/c.

5. Вперше показано, що при розшаруванні високоякісних зразків слабких твердих розчинів ⁴Не у ³Не експериментальні дані що до кінетики утворення та росту нової фази можуть бути описані в рамках теорії гомогенної нуклеації.

6. Визначено концентрацію зародків нової фази та середній розмір еквівалентної сфери, що доводиться на один зародок, а також розмір включень нової фази залежно від температури. Встановлено, що при низьких температурах (~ 100 мК) характерний радіус включень ⁴Не становить см.

7. Вперше в рамках теорії гомогенної нуклеації з різного типу експериментів визначений коефіцієнт міжфазного поверхневого натягу на границі включення– матриця , значення якого становить ерг/cм².

8. Вперше досліджена кінетика росту та розчинення нанокластерів ⁴Не з делокалізованими вакансіями при ступінчастому охолодженні та нагріві розшарованого слабкого твердого розчину ⁴Не у ³Не. Виявлено, що зростання нанокластерів носить одноетапний характер, а їхнє розчинення є двоетапним.

9. Встановлено, що при розчиненні нанокластерів характерний час першого етапу співпадає з часом встановлення температури та внесок першого етапу в зміну тиску складає . Значення характерного часу другого етапу при нагріві виявилися такими ж, як і час, що характеризує дифузійний ріст при охолодженні.

10. Проведено термодинамічний аналіз системи нанокластер-матриця, із врахуванням кінцевої концентрації вакансій, що дозволило визначити концентрацію нанокластерів, яка становить , та їхній вплив на діаграму фазового розшарування. Показано, що при температурах більш ніж ~ 140 мК в цих умовах матриця пересичена домішками ⁴Не.

11. Визначено температурну залежність характерного розміру нанокластерів ⁴Не з делокалізованими вакансіями та встановлено, що при температурі ~ 120 мК характерний радіус нанокластерів становить міжатомної відстані.

Публікації автора:

1. Григорьев В.Н., Майданов В.А., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С., Слезов В.В., Сырников Е.В. Кинетика фазового перехода в твердых растворах ⁴Не в ³Не при различных степенях пересыщения // ФНТ. - 2004. - Т. 30, № 2. - С. 177-183.

2. Mikhin N.P., Grigor’ev V.N., Maidanov V.A., Penzev A.A., Rudavskii E.Ya., Rybalko A.S., Slezov V.V., Syrnikov Ye.V. Evidence of Homogeneous Nucleation at Phase Separation in Solid Mixtures of ⁴He in ³He // J. Low Temp. Phys. - 2004. - Vol. 134, № . - P. 205-210.

3. Григорьев В.Н., Майданов В.А., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С., Сырников Е.В. Концентрационная зависимость коэффициента диффузии в распадающихся слабых твердых растворах ⁴Не в ³Не // ФНТ. - 2003. - Т. 29, № 11. - С. 1165-1172.

4. Ганьшин А.Н., Григорьев В.Н., Майданов В.А., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С., Сырников Е.В. Нанокластеры атомов ⁴Не вокруг вакансий в твердых растворах ⁴Не в ³Не // ФНТ. - 2003. - Т. 29, № 5. - С. 487-495.

5. Сирников Є., Ганшин А., Григор'єв В., Майданов В., Пензев А., Рудавський Е., Рибалко О. Виявлення комлексів (вакансія + твердий ⁴Не), які утворюються внаслідок циклювання температури в межах області ізотопічного фазового розшарування твердих розчинів ³Не в ⁴Не // Збірник тез Всеукраїнської конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики. - Львів (Україна). - 2002. - С. 118-119.

6. Maidanov V., Ganshin A., Grigor’ev V., Penzev A., Rudavskii E., Rybalko A., Slezov V., Syrnikov Ye. Observation of heterogeneous-homogeneous nucleation transition with increasing supercooling degree of phase-separated ³He–⁴He // Proc. of the 23rd International Conference on Low Temperature Physics. - Hiroshima (Japan). - 2002. - P. 528.

7. Syrnikov Ye.V., Ganshin A.N., Grigor’ev V.N., Maidanov V.A., Penzev A.A., Rudavskii E.Ya., Rybalko A.S. Anomalous pressure behavior of solid ⁴He–³He mixtures at cycling the temperature in phase separation region // Proc. of the Fourth International Conference on Cryocrystals and Quantum Crystals. - Freising (Germany). - 2002. - P. A-21.

8. Syrnikov Ye.V., Ganshin A.N., Grigor’ev V.N., Maidanov V.A., Penzev A.A., Rudavskii E.Ya. and Rybalko A.S. On the kinetics of growth and dissolution of vacancy clusters // Proc. of the 28^th Conference of the Middle European Cooperation in Statistical Physics. - Saarbrcken (Germany). - 2003. - P. 79-81.

9. Сирников Є., Григор'єв В., Майданов В., Пензев А., Руданський Е., Рибалко О. Кінетика процесу розшарування твердихрозчинів ⁴Не в ³Не при низьких температурах // Збірник тез Всеукраїнської конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики. - Львів (Україна). - 2003. - С. 43.

10. Ганьшин А.Н., Григорьев В.Н., Майданов В.А., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С., Сырников Е.В. Обнаружение вакансионных нанокластеров в твердых растворах ⁴He в ³He // 33-е Всероссийское совещание по физике низких температур. - Екатеринбург (Россия). - 2003. - С. 66-67.

11. Сырников Е.В., Григорьев В.Н., Майданов В.А., Пензев А.А., Рудавский Э.Я., Рыбалко А.С., Концентрационная зависимость характерного времени расслоения твердых растворов ⁴Не в ³Не // Материалы 6-ой Международной конференции «Физические явления в твердых телах».- Харьков (Украина). - 2003. - С. 17.

12. Syrnikov Ye.V., Grigor’ev V.N., Maidanov V.A., Penzev A.A., Rudavskii E.Ya., Rybalko A.S. Concentration dependence of the diffusion coefficient in separating ⁴He-³He solid mixtures // Book of abstracts of the 20th General Conference Condensed Matter Division. - Prague. (Czech Republic). - 2004. - P. 277.

13. Mikhin N., Grigor’ev V., Maidanov V., Penzev A., Rubets S., Rudavskii E., Rybalko A., Syrnikov Ye. Features of Phase Separation Kinetics of Solid ³He–⁴He Mixtures. Role of Boundary Resistance // Abstracts of the International Symposium on Quantum Fluids and Solids. - Trento (Italy). - 2004. - P. 41.

14. Grigor’ev V., Maidanov V., Penzev A., Rubets S., Rudavskii E., Rybalko A., Slezov V., Syrnikov E. Kinetics of Nucleation and Phase Separation of solid ³He-⁴He mixtures // Abstracts and Programme of the Fifth International Conference on Crystals and Quantum Crystals. - Wrocaw (Poland). - 2004. - P. 56.

15. Ганшин А.М., Григор’єв В.М., Майданов В.А., Пензев А.А., Рудавский Е.Я., Рибалко О.С., Сирніков Є.В. Утворення вакансійних нанокластерів у твердих розчинах ³Не-⁴Не // Тези конференції «Нанорозмірні системи». - Київ (Україна). - 2004. - С. 331.