Конденсация примесей в жидком и твердом гелии
На основании анализа рентгеноструктурных и ИК-спектроскопических наблюдений показано, что при введении примесных частиц в жидкий и твердый гелий в холодной части газовой струи образуются кластеры с ярко выраженным пространственным разделением примесей c различной летучестью. В частности, при конд...
Saved in:
| Published in: | Физика низких температур |
|---|---|
| Date: | 2004 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2004
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/119856 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Конденсация примесей в жидком и твердом гелии / Е.Б. Гордон // Физика низких температур. — 2004. — Т. 30, № 10. — С. 1009–1018. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859637519826550784 |
|---|---|
| author | Гордон, Е.Б. |
| author_facet | Гордон, Е.Б. |
| citation_txt | Конденсация примесей в жидком и твердом гелии / Е.Б. Гордон // Физика низких температур. — 2004. — Т. 30, № 10. — С. 1009–1018. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика низких температур |
| description | На основании анализа рентгеноструктурных и ИК-спектроскопических наблюдений показано,
что при введении примесных частиц в жидкий и твердый гелий в холодной части газовой
струи образуются кластеры с ярко выраженным пространственным разделением примесей c
различной летучестью. В частности, при конденсации частично атомизированных двухатомных
молекул атомы концентрируются с высокой плотностью вблизи и на поверхности кластеров.
Такая сегрегация сохраняется и в конденсате, представляющем собой в жидком гелии слипшиеся
в пористую структуру кластеры; в твердом гелии кластеры изолированы друг от друга. Наличие
высоких концентраций атомов в поверхностном слое, на границе с конденсированным гелием,
объясняет специфическое поведение конденсата, наблюдаемое методами оптической
спектроскопии, ЭПР и термометрии. Сформулирована стратегия эксперимента по обнаружению
образования примесь-гелиевой твердой фазы.
На підставі аналізу рентгеноструктурних та ІЧ-спектроскопічних спостережень показано,
що при введенні домішкових частинок у рідкий та твердий гелій в холодній частині газового
струменя утворюються кластери з яскраво вираженим просторовим розподілом домішок з
різною леткістю. Зокрема, при конденсації частково атомізованих двоатомних молекул атоми
концентруються з високою щільністю поблизу і на поверхні кластерів. Така сегрегація збер
ігається й у конденсаті, який являє собою в рідкому гелії злиплі в пористу структуру кластери;
у твердому гелії кластери ізольовані один від одного. Наявність високих концентрацій
атомів в поверхневому шарі, на межі з конденсованим гелієм, пояснює специфічну поведінку
конденсату, що спостерігається методами оптичної спектроскопії, ЕПР та термометрії. Сформульовано
стратегію експерименту по виявленню утворення домішка-гелійової твердої фази.
The x-ray diffraction and IR spectroscopy data
show that the impurities of different volatility
become distinctly separated in space in the small
clusters formed in the cold part of the gas jet
when guest particles are introduced into liquid
and solid helium. In particular, on condensation
of partially dissociated diatomic molecules the
atoms concentrate mainly near and on the cluster
surface. Such segregation persists in the condensate
which appears as a porous structure consisting
of clusters coagulated in liquid helium; in
solid helium the clusters are isolated from each
other. The high local atomic density in the
surface layer, bordering on the condensed helium,
explains numerous features in the condensate
behavior observed earlier by methods of optical
and ESR spectroscopy and thermometry.
The strategy of the experiment aimed at the detection
of the solid impurity-helium phase has
been formulated.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:17:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 10, ñ. 1009–1018
Êîíäåíñàöèÿ ïðèìåñåé â æèäêîì è òâåðäîì ãåëèè
Å.Á. Ãîðäîí
Èíñòèòóò ïðîáëåì õèìè÷åñêîé ôèçèêè ÐÀÍ, ×åðíîãîëîâêà, 142432, Ðîññèÿ
E-mail: gordon@binep.ac.ru
Ñòàòüÿ ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 23 ôåâðàëÿ 2004 ã., ïîñëå ïåðåðàáîòêè 1 àïðåëÿ 2004 ã.
Íà îñíîâàíèè àíàëèçà ðåíòãåíîñòðóêòóðíûõ è ÈÊ-ñïåêòðîñêîïè÷åñêèõ íàáëþäåíèé ïîêàçà-
íî, ÷òî ïðè ââåäåíèè ïðèìåñíûõ ÷àñòèö â æèäêèé è òâåðäûé ãåëèé â õîëîäíîé ÷àñòè ãàçîâîé
ñòðóè îáðàçóþòñÿ êëàñòåðû ñ ÿðêî âûðàæåííûì ïðîñòðàíñòâåííûì ðàçäåëåíèåì ïðèìåñåé c
ðàçëè÷íîé ëåòó÷åñòüþ.  ÷àñòíîñòè, ïðè êîíäåíñàöèè ÷àñòè÷íî àòîìèçèðîâàííûõ äâóõàòîìíûõ
ìîëåêóë àòîìû êîíöåíòðèðóþòñÿ ñ âûñîêîé ïëîòíîñòüþ âáëèçè è íà ïîâåðõíîñòè êëàñòåðîâ.
Òàêàÿ ñåãðåãàöèÿ ñîõðàíÿåòñÿ è â êîíäåíñàòå, ïðåäñòàâëÿþùåì ñîáîé â æèäêîì ãåëèè ñëèïøèå-
ñÿ â ïîðèñòóþ ñòðóêòóðó êëàñòåðû; â òâåðäîì ãåëèè êëàñòåðû èçîëèðîâàíû äðóã îò äðóãà. Íà-
ëè÷èå âûñîêèõ êîíöåíòðàöèé àòîìîâ â ïîâåðõíîñòíîì ñëîå, íà ãðàíèöå ñ êîíäåíñèðîâàííûì ãå-
ëèåì, îáúÿñíÿåò ñïåöèôè÷åñêîå ïîâåäåíèå êîíäåíñàòà, íàáëþäàåìîå ìåòîäàìè îïòè÷åñêîé
ñïåêòðîñêîïèè, ÝÏÐ è òåðìîìåòðèè. Ñôîðìóëèðîâàíà ñòðàòåãèÿ ýêñïåðèìåíòà ïî îáíàðóæå-
íèþ îáðàçîâàíèÿ ïðèìåñü-ãåëèåâîé òâåðäîé ôàçû.
Íà ï³äñòàâ³ àíàë³çó ðåíòãåíîñòðóêòóðíèõ òà ²×-ñïåêòðîñêîï³÷íèõ ñïîñòåðåæåíü ïîêàçàíî,
ùî ïðè ââåäåíí³ äîì³øêîâèõ ÷àñòèíîê ó ð³äêèé òà òâåðäèé ãåë³é â õîëîäí³é ÷àñòèí³ ãàçîâîãî
ñòðóìåíÿ óòâîðþþòüñÿ êëàñòåðè ç ÿñêðàâî âèðàæåíèì ïðîñòîðîâèì ðîçïîä³ëîì äîì³øîê ç
ð³çíîþ ëåòê³ñòþ. Çîêðåìà, ïðè êîíäåíñàö³¿ ÷àñòêîâî àòîì³çîâàíèõ äâîàòîìíèõ ìîëåêóë àòîìè
êîíöåíòðóþòüñÿ ç âèñîêîþ ù³ëüí³ñòþ ïîáëèçó ³ íà ïîâåðõí³ êëàñòåð³â. Òàêà ñåãðåãàö³ÿ çáå-
ð³ãàºòüñÿ é ó êîíäåíñàò³, ÿêèé ÿâëÿº ñîáîþ â ð³äêîìó ãå볿 çëèïë³ â ïîðèñòó ñòðóêòóðó êëàñòå-
ðè; ó òâåðäîìó ãå볿 êëàñòåðè ³çîëüîâàí³ îäèí â³ä îäíîãî. Íàÿâí³ñòü âèñîêèõ êîíöåíòðàö³é
àòîì³â â ïîâåðõíåâîìó øàð³, íà ìåæ³ ç êîíäåíñîâàíèì ãå볺ì, ïîÿñíþº ñïåöèô³÷íó ïîâåä³íêó
êîíäåíñàòó, ùî ñïîñòåð³ãàºòüñÿ ìåòîäàìè îïòè÷íî¿ ñïåêòðîñêîﳿ, ÅÏÐ òà òåðìîìåòð³¿. Ñôîð-
ìóëüîâàíî ñòðàòåã³þ åêñïåðèìåíòó ïî âèÿâëåííþ óòâîðåííÿ äîì³øêà-ãåë³éîâî¿ òâåðäî¿ ôàçè.
PACS: 36.40.Mr, 67.40.Yv, 67.80.Mg
Ââåäåíèå
Óíèêàëüíûå ÿâëåíèÿ, èìåþùèå ìåñòî â æèäêîì
è òâåðäîì ãåëèè, áûëè ýêñïåðèìåíòàëüíî îáíàðóæå-
íû âî ìíîãîì áëàãîäàðÿ óíèêàëüíîé ÷èñòîòå îáúåê-
òà — ðàñòâîðèìîñòü ëþáûõ ïîñòîðîííèõ ïðèìåñåé â
æèäêîì ãåëèè èñ÷åçàþùå ìàëà.  òî æå âðåìÿ âçàè-
ìîäåéñòâèå êâàíòîâûõ æèäêîñòè è êðèñòàëëà —
æèäêîãî è òâåðäîãî ãåëèÿ — ñ ââåäåííûìè â íèõ
ïðèìåñÿìè òàêæå ïðåäñòàâëÿåò ôóíäàìåíòàëüíûé
èíòåðåñ. Ïîýòîìó òàêèå èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëè
ïðåæäå âñåãî ñ «åñòåñòâåííûìè» ïðèìåñÿìè. Òàê,
èçó÷åíèå ïîâåäåíèÿ ëåãêîãî èçîòîïà 3Íå â æèäêîì
4Íå ïîçâîëèëî Õ. Ëîíäîíó â 1951 ã. ñôîðìóëèðî-
âàòü ïðèíöèï ãëóáîêîãî îõëàæäåíèÿ, ðåàëèçîâàí-
íûé â òàê íàçûâàåìûõ êðèîñòàòàõ ðàñòâîðåíèÿ, à
ãðóïïå ôèçèêîâ èç Õàðüêîâà â 70-õ ãîäàõ ïðîøëîãî
ñòîëåòèÿ îòêðûòü â òâåðäîì ãåëèè ÿâëåíèå êâàíòî-
âîé äèôôóçèè [1]. Èññëåäîâàíèå ïîäâèæíîñòè
çàðÿäîâ â êîíäåíñèðîâàííîì ãåëèè ïðèâåëî ê îáíà-
ðóæåíèþ òàê íàçûâàåìîãî áàáëà — ïóçûðüêà, âîç-
íèêàþùåãî âîêðóã ýëåêòðîíà çà ñ÷åò åãî äåëîêàëè-
çàöèè [2], è «ñíåæêà» — óïëîòíåíèÿ ãåëèÿ âîêðóã
òÿæåëîãî ïîëîæèòåëüíîãî èîíà [3]. Â ïîñëåäíåå
âðåìÿ ìíîãî âíèìàíèÿ óäåëÿåòñÿ èçó÷åíèþ ïîâå-
äåíèÿ ãåëèÿ â óñëîâèÿõ îãðàíè÷åííîé ãåîìåòðèè,
äîñòèãàåìûõ â ïîðèñòûõ ñòðóêòóðàõ òèïà àýðîãåëÿ,
êîòîðûå òàêæå ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñâîåîáðàç-
íóþ ïðèìåñü. Âåñüìà èíòåðåñíû èññëåäîâàíèÿ âçàè-
ìîäåéñòâèÿ ãåëèÿ, îñîáåííî 3Íå, ñ ïîâåðõíîñòÿìè,
êîòîðûå äåìîíñòðèðóþò ñòðóêòóðèçàöèþ ïîãðàíè÷-
íûõ ñëîåâ êâàíòîâîé æèäêîñòè [4].
Ìíîãîîáðàçèå ÿâëåíèé, íàáëþäàåìûõ ïðè âçàè-
ìîäåéñòâèè êîíäåíñèðîâàííîãî ãåëèÿ ñ ðàçëè÷íûìè
© Å.Á. Ãîðäîí, 2004
âêëþ÷åíèÿìè, ñòèìóëèðîâàëè ïîïûòêè ââåäåíèÿ â
íåãî äåéñòâèòåëüíî ïîñòîðîííèõ ìèêðî÷àñòèö. Êàê
ïðàâèëî, êîíöåíòðàöèè ïðèìåñåé, ââîäèìûõ â ãå-
ëèé, áûëè âåñüìà ìàëû è äîñòàòî÷íû ëèøü äëÿ îï-
òè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé ðàçðåøåííûõ ïåðåõîäîâ â
àòîìàõ. Âàæíûì èñêëþ÷åíèåì ÿâëÿåòñÿ ìåòîä, îñ-
íîâàííûé íà çàõâàòå ïðèìåñåé â ñâîáîäíîëåòÿùèå
õîëîäíûå ãåëèåâûå êàïëè. Õîòÿ êîíöåíòðàöèè ââå-
äåííûõ â ãåëèé ÷àñòèö çäåñü òàêæå ìàëû, ìåòîä
äåòåêòèðîâàíèÿ ñïåêòðîâ, êîòîðûé áàçèðóåòñÿ íà
ðåãèñòðàöèè óìåíüøåíèÿ ðàçìåðîâ êàïëè çà ñ÷åò èñ-
ïàðåíèÿ ÷àñòè ãåëèåâûõ àòîìîâ, âûçâàííîãî âûäå-
ëåíèåì â íåé ýíåðãèè ïîãëîùåííîãî ôîòîíà, äîñòà-
òî÷íî ÷óâñòâèòåëåí äëÿ èçó÷åíèÿ ñïåêòðîâ ìîëåêóë.
 òî æå âðåìÿ íåâîçìîæíîñòü ïåðåõîäà çàõâà÷åííîé
â êàïëþ ÷àñòèöû èç îäíîé êàïëè â äðóãóþ ïðåäîò-
âðàùàåò êîàãóëÿöèþ ïðèìåñè, îáåñïå÷èâàÿ òåì ñà-
ìûì íàäåæíîñòü èçîëÿöèè èññëåäóåìûõ ÷àñòèö.
Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè ýòèì ìåòîäîì èçó÷åíû ñïåêò-
ðû áîëüøîãî ÷èñëà ìîëåêóë è îáíàðóæåíû èíòå-
ðåñíûå ýôôåêòû, õàðàêòåðèçóþùèå âçàèìîäåéñòâèå
êâàíòîâîé æèäêîñòè ñ êâàíòîâûìè ìèêðîâêëþ÷å-
íèÿìè [5,6]. Ê íåäîñòàòêàì ìåòîäèêè îòíîñÿòñÿ
âëèÿíèå íà ñïåêòð îãðàíè÷åííîñòè ðàçìåðîâ êàïå-
ëåê è, îñîáåííî, íåâîçìîæíîñòü âàðèàöèè òåìïåðà-
òóðû è äàâëåíèÿ.
Ñòðóåâûå ìåòîäû ââåäåíèÿ ïðèìåñåé â æèäêèé
ãåëèé
Íåáîëüøèå êîíöåíòðàöèè ïðèìåñè ìîãóò áûòü
ñîçäàíû â òâåðäîì è æèäêîì ãåëèè, íàïðèìåð, ëà-
çåðíîé àáëÿöèåé ïîìåùåííîé âíóòðè ãåëèÿ ìèøåíè,
íî äëÿ áîëüøèíñòâà ìûñëèìûõ ïðèëîæåíèé ââî-
äèòü ïðèìåñè â êîíäåíñèðîâàííûé ãåëèé ñëåäóåò èç-
âíå, èç ãàçîâîé ôàçû, ïðè÷åì, äëÿ óñòðàíåíèÿ êîà-
ãóëÿöèè ïðèìåñè ïî ìåðå îõëàæäåíèÿ ãàçà, ïðè
ñèëüíîì ðàçáàâëåíèè èññëåäóåìîãî âåùåñòâà ãåëè-
åì. Îäíàêî ñëåäóåò èìåòü â âèäó, ÷òî äëÿ îõëàæäå-
íèÿ ãåëèÿ, ñêàæåì, îò 300 Ê äî íåñêîëüêèõ êåëüâè-
íîâ òðåáóåòñÿ îòâåñòè ýíåðãèþ îêîëî 450 Ê íà îäèí
àòîì, â òî âðåìÿ êàê êàæäûé èñïàðÿþùèéñÿ èç æèä-
êîñòè àòîì ãåëèÿ óíîñèò ñ ñîáîé ìàêñèìóì 7 Ê. Äðó-
ãèìè ñëîâàìè, â ñòàöèîíàðíîì ñëó÷àå ïðîòèâîòîê
èñïàðÿþùåãîñÿ ãåëèÿ äîëæåí áîëåå ÷åì â 60 ðàç
ïðåâûøàòü ïîòîê, íàïðàâëåííûé ê æèäêîìó ãåëèþ.
Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî â óñëîâèÿõ, áëèçêèõ ê îäíîìåð-
íûì, çàìåòíûõ ïîòîêîâ íå ìîæåò ñóùåñòâîâàòü âî-
îáùå. Èìåííî òàêàÿ ñèòóàöèÿ èìåëà ìåñòî â ïåðâûõ
ýêñïåðèìåíòàõ, ãäå äüþàð ñ æèäêèì àçîòîì èëè ãå-
ëèåì áûë ñîåäèíåí ñ îáúåìîì, çàïîëíåííûì êîíäåí-
ñèðóåìûì ãàçîì [7,8]; íåäàâíî ê ïîõîæåé ìåòîäèêå
îáðàòèëèñü àâòîðû [9]. Ïðè ïîäîáíîé ïîñòàíîâêå
ýêñïåðèìåíòà çà ñ÷åò òåïëîïðîâîäíîñòè â ãàçå óñòà-
íàâëèâàåòñÿ íåêèé ïðîôèëü òåìïåðàòóð, à êîàãóëÿ-
öèÿ ïðèìåñè íà÷èíàåòñÿ â òåõ ìåñòàõ, ãäå òåìïåðà-
òóðà áëèçêà ê òî÷êå ðîñû. Äî äîñòèæåíèÿ îáðàçóþ-
ùèìèñÿ ïðè ýòîì êëàñòåðàìè ïðèìåñíûõ ìîëåêóë
íåêîòîðîãî ðàçìåðà îíè íå «÷óâñòâóþò» ñèëó òÿæå-
ñòè, äâèãàÿñü ââåðõ-âíèç â íåîäíîðîäíîì òåìïåðà-
òóðíîì ïîëå ïîä âëèÿíèåì áðîóíîâñêîãî äâèæåíèÿ
è êîíâåêòèâíûõ ïîòîêîâ. Êðèòè÷åñêèé ðàçìåð, íà-
÷èíàÿ ñ êîòîðîãî êëàñòåðû ïðèîáðåòàþò ïðåèìóùå-
ñòâåííîå íàïðàâëåíèå äâèæåíèÿ âíèç, â îáëàñòü áî-
ëåå íèçêèõ òåìïåðàòóð, ìîæåò áûòü îöåíåí íà
îñíîâàíèè áîëüöìàíîâñêîãî ðàñïðåäåëåíèÿ â ãðàâè-
òàöèîííîì ïîëå Çåìëè:
N
kT
mg h
�
�
, (1)
ãäå N — ÷èñëî ìîëåêóë â êëàñòåðå, m — ìàññà ìî-
ëåêóëû, �h — õàðàêòåðíàÿ âûñîòà îáëàñòè êîíäåí-
ñàöèè. Äëÿ âåùåñòâ ñ ìîëåêóëÿðíûì âåñîì 20 ïðè
�h = 1 ñì è òåìïåðàòóðå Ò = 200 Ê ïîëó÷àåì, ÷òî
÷èñëî ìîëåêóë â êëàñòåðå N � 106, à åãî õàðàêòåð-
íûé ðàçìåð — îêîëî 30 íì. Ïîñêîëüêó è ïîñëå äîñ-
òèæåíèÿ êðèòè÷åñêîãî ðàçìåðà îñåäàíèå êëàñòåðîâ
ïðîèñõîäèò äîñòàòî÷íî ìåäëåííî, îíè óñïåâàþò
óâåëè÷èòüñÿ â ðàçìåðàõ è ñìåðçíóòüñÿ â ÷åøóéêè
çàäîëãî äî ïîïàäàíèÿ â îáëàñòü äåéñòâèòåëüíî íèç-
êèõ òåìïåðàòóð, ïîýòîìó ñòðóêòóðà êîíäåíñàòà íå
ñèëüíî çàâèñèò îò òîãî, â æèäêèé àçîò èëè æèäêèé
ãåëèé ïðîèñõîäèò êîíäåíñàöèÿ. Ñêîðîñòü óïðàâëÿå-
ìîãî ãðàâèòàöèåé ïðîöåññà îñàæäåíèÿ ïðèìåñè â
æèäêîñòü, ðàçìåð ÷åøóåê è ïëîòíîñòü îáðàçóþùå-
ãîñÿ êîíäåíñàòà çàâèñÿò îò ðàçìåðîâ îáëàñòè îñàæ-
äåíèÿ è äàâëåíèÿ ãàçà, íî, êàê ïîêàçûâàþò ýêñïå-
ðèìåíòû [9], ìîæíî äîñòàòî÷íî áûñòðî çàïîëíèòü
æèäêèé ãåëèé ïîðèñòûì êîíäåíñàòîì, ïîõîæèì ïî
ñòðóêòóðå íà àýðîãåëü.
Äëÿ òîãî ÷òîáû îáåñïå÷èòü ñòàöèîíàðíûé ãàçî-
âûé ïîòîê ê ïîâåðõíîñòè æèäêîãî ãåëèÿ, íåîáõî-
äèìî ïðîñòðàíñòâåííî ðàçäåëèòü ýòîò ïîòîê è ïðî-
òèâîòîê èñïàðÿþùåãîñÿ ãåëèÿ. Âïåðâûå ýòî áûëî
ñäåëàíî â íàøåé ðàáîòå [10] ïðè ïîäà÷å â êðèîñòàò
ãàçîîáðàçíîãî ãåëèÿ, ñîäåðæàùåãî ìàëóþ ïðèìåñü
èññëåäóåìûõ ÷àñòèö, ÷åðåç ìàëîå îòâåðñòèå, îáåñïå-
÷èâàþùåå âûñîêóþ íà÷àëüíóþ ñêîðîñòü ñòðóè. Ñó-
ùåñòâîâàíèå íàïðàâëåííîé ãàçîâîé ñòðóè âïëîòü äî
ïîâåðõíîñòè ñâåðõòåêó÷åãî ãåëèÿ, íàõîäÿùåéñÿ
â íåñêîëüêèõ ñàíòèìåòðàõ îò îòâåðñòèÿ, äîêàçûâà-
ëîñü íàëè÷èåì äîâîëüíî ãëóáîêîé ñòàöèîíàðíîé
ëóíêè íà ïîâåðõíîñòè æèäêîñòè, à â ñëó÷àå âîçäåé-
ñòâèÿ íà ñìåñü ýëåêòðè÷åñêèì ðàçðÿäîì ñàìà ñòðóÿ
(èãëà äèàìåòðîì îêîëî 1 ìì, óïèðàþùàÿñÿ â ïî-
âåðõíîñòü) áûëà âèäíà âñëåäñòâèå ÿðêîãî ðåêîìáè-
íàöèîííîãî ñâå÷åíèÿ. Âïëîòü äî ñàìîé ïîâåðõíîñòè
æèäêîãî ãåëèÿ òåìïåðàòóðà â ñòðóå, èçìåðåííàÿ ïî
ñòðóêòóðå âðàùàòåëüíûõ ýëåêòðîííî-êîëåáàòåëü-
1010 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 10
Å.Á. Ãîðäîí
íûõ ïîëîñ ðåêîìáèíàöèîííîãî ñâå÷åíèÿ ìîëåêóëÿð-
íîãî àçîòà, áûëà äîâîëüíî âûñîêîé [11]. Îáðàçîâà-
íèå ñòîëü õîðîøî îðãàíèçîâàííîãî ïîòîêà ïðè
âåñüìà âûñîêèõ ïëîòíîñòÿõ ãàçà áûëî âåñüìà íå-
îæèäàííûì, è ïðè÷èíó ýôôåêòà ñëåäóåò èñêàòü â
ãàçîäèíàìè÷åñêèõ îñîáåííîñòÿõ ðàñïðîñòðàíåíèÿ
«òåïëîãî» ðàçðåæåííîãî ãàçà â õîëîäíîì è ïëîòíîì
ãåëèè. Òàê èëè èíà÷å, ñ ïîìîùüþ óïîìÿíóòîé ìåòî-
äèêè, ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà êîòîðîé ïðåäñòàâëåíà
íà ðèñ. 1,à, âðåìÿ òðàíñïîðòà ãàçà ê ïîâåðõíîñòè
æèäêîãî ãåëèÿ áûëî ñîêðàùåíî íà ìíîãî ïîðÿäêîâ
âåëè÷èíû. Ýòî ïîçâîëèëî â óñëîâèÿõ ïðåäâàðèòåëü-
íîãî âîçäåéñòâèÿ íà ãàçîâóþ ñìåñü âûñîêî÷àñòîò-
íûì ýëåêòðè÷åñêèì ðàçðÿäîì äîâåñòè äî ïîâåðõ-
íîñòè æèäêîãî ãåëèÿ è ñòàáèëèçèðîâàòü â íåì
ýíåðãîåìêèå ëàáèëüíûå ïðîäóêòû, òàêèå êàê àòîìû,
ñâîáîäíûå ðàäèêàëû è ìåòàñòàáèëüíî âîçáóæäåí-
íûå ÷àñòèöû — ñîçäàíèå ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ
ìàòåðèàëîâ ñ âûñîêîé ïëîòíîñòüþ çàïàñåííîé ýíåð-
ãèè è áûëî ïîáóäèòåëüíîé ïðè÷èíîé óïîìÿíóòûõ
ðàáîò. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, íàëè÷èå òàêèõ ïðîäóêòîâ
ïîçâîëèëî ïîäêëþ÷èòü, ïîìèìî âèçóàëüíûõ, è äðó-
ãèå, êîëè÷åñòâåííûå ñðåäñòâà èññëåäîâàíèÿ, òàêèå
êàê ýëåêòðîííûé ïàðàìàãíèòíûé ðåçîíàíñ (ÝÏÐ),
îïòè÷åñêàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ, òåðìîìåòðèÿ è ò.ä.
Ïðèíöèïèàëüíî âàæíî, ÷òî â óñëîâèÿõ ïîòîêà
âîïðîñ î ñëèïàíèè ïðèìåñíûõ ÷àñòèö ïðèîáðåòàåò
êèíåòè÷åñêèé ñìûñë — óñïåþò èëè íåò îáðàçîâàòü-
ñÿ êëàñòåðû äàííîãî ðàçìåðà çà âðåìÿ ïðîëåòà ïðè-
ìåñè îò ìåñòà, ãäå òåìïåðàòóðà åå ÷àñòèö ñòàíîâèòñÿ
äîñòàòî÷íî íèçêîé, äî ïîâåðõíîñòè æèäêîñòè.  ÷à-
ñòíîñòè, äîñòàòî÷íî âçÿòü êîíöåíòðàöèþ ïðèìåñè
ñòîëü ìàëîé, ÷òîáû åå ìîëåêóëû âîîáùå íå óñïåëè
ñòîëêíóòüñÿ äðóã ñ äðóãîì çà âðåìÿ ïðîëåòà, è ïðè-
ìåñü äîñòèãíåò ïîâåðõíîñòè ãåëèÿ â âèäå èíäèâèäó-
àëüíûõ àòîìîâ èëè ìîëåêóë. Äëÿ îöåíêè ïîëîæèì,
÷òî òåìïåðàòóðà è ïëîòíîñòü ãåëèÿ â ñòðóå òàêîâû,
÷òî òðèìîëåêóëÿðíàÿ ðåàêöèÿ ñëèïàíèÿ ïðèìåñíûõ
÷àñòèö âûõîäèò êèíåòè÷åñêè íà ñâîé áèìîëåêóëÿð-
íûé ïðåäåë è åå ñå÷åíèå ðàâíî ãàçîêèíåòè÷åñêîìó.
 ýòîì ñëó÷àå ÷àñòèöû ïîïàäóò â æèäêèé ãåëèé êàê
èçîëèðîâàííûå ìîëåêóëû, åñëè èõ êîíöåíòðàöèÿ
n
W
v h
��
� �
, (2)
ãäå W — ñêîðîñòü ñòðóè, � — ãàçîêèíåòè÷åñêîå ñå-
÷åíèå, à v — òåïëîâàÿ ñêîðîñòü ìîëåêóë ïðèìåñè.
Äëÿ ñòðóè, ðàñïðîñòðàíÿþùåéñÿ ñî ñêîðîñòüþ çâó-
êà, ñëèïàíèå çàâåäîìî íå áóäåò ïðîèñõîäèòü ïðè
êîíöåíòðàöèÿõ ïðèìåñè, ìíîãî ìåíüøèõ 1015 ÷àñ-
òèö/ñì3, ïðè ìåíüøèõ ñêîðîñòÿõ ñòðóè äîïóñòè-
ìûå êîíöåíòðàöèè ïðèìåñè ïðîïîðöèîíàëüíî ìåíü-
øå. Â ïðèíöèïå, ìîæíî ïðèìåíÿòü íå çàðàíåå
ïðèãîòîâëåííóþ ñìåñü, à ââîäèòü ïðèìåñü â ñòðóþ
ãàçîâîãî ãåëèÿ íåïîñðåäñòâåííî ïåðåä åå âõîäîì â
ñâåðõòåêó÷èé ãåëèé, ñêàæåì, ëàçåðíîé àáëÿöèåé ñ
òâåðäîé ìèøåíè, êàê ýòî áûëî ðåàëèçîâàíî íåäàâíî
â ðàáîòå [12] â ðàìêàõ ìåòîäèêè, àíàëîãè÷íîé îïè-
ñàííîé â [10].
Êàê óæå óïîìèíàëîñü, êîíäåíñàöèÿ ñòðóè â æèä-
êîì ãåëèè ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíûì òåïëîâûäåëå-
íèÿì, ÷òî â óñëîâèÿõ îòêà÷íîãî êðèîñòàòà äëÿ ïîä-
äåðæàíèÿ íèçêîé òåìïåðàòóðû òðåáóåò ìîùíîé
îòêà÷êè ïàðîâ ãåëèÿ. Íàïðèìåð, ïðè ïîòîêå òåïëîãî
ãåëèÿ 1020 àòîìîâ â ñåêóíäó âûäåëÿåìàÿ ïðè åãî îõ-
ëàæäåíèè äî ãåëèåâûõ òåìïåðàòóð ìîùíîñòü (êîòî-
ðàÿ è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îñíîâíîå òåïëîâûäåëåíèå)
ñîñòàâëÿåò ïî÷òè 1 Âò, è äëÿ ïîääåðæàíèÿ ñòàöèî-
íàðíîé òåìïåðàòóðû òðåáóåòñÿ îòêà÷èâàòü èç êðèî-
ñòàòà 0,01 ìîëÿ ãåëèÿ â ñåêóíäó. Ïðè òåìïåðàòóðå
1,5 Ê, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò äàâëåíèþ íàñûùåííîãî
ïàðà ãåëèÿ 4,7 ìáàð, òðåáóåòñÿ ñêîðîñòü îòêà÷êè
60 ë/ñ.
Õîòÿ îñíîâíîé ïðîòèâîòîê èñïàðÿþùåãîñÿ ãåëèÿ
ïðîèñõîäèò èç îñíîâíîé âàííû êðèîñòàòà, èñïàðå-
íèå èç çàïîëíåííîãî ñâåðõòåêó÷èì ãåëèåì ñòàêàí÷è-
êà òàêæå äîñòàòî÷íî èíòåíñèâíî. Ïîýòîìó îñíîâíàÿ
÷àñòü ñòðóè (ïðèáëèçèòåëüíî 60–80%) îòðàæàëàñü
îò ïîâåðõíîñòè æèäêîãî ãåëèÿ, óâëåêàåìàÿ âîñõîäÿ-
Êîíäåíñàöèÿ ïðèìåñåé â æèäêîì è òâåðäîì ãåëèè
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 10 1011
5
4
1
2
3
à á
Ðèñ. 1. Ïðèíöèïèàëüíûå ñõåìû ñòðóåâûõ ìåòîäèê ñ îò-
êðûòûì (à) è çàìêíóòûì (á) ïî ãåëèþ öèêëîì â èçìå-
ðèòåëüíîé ÿ÷åéêå [13]: 1 — îõëàæäàåìûé æèäêèì àçî-
òîì èñòî÷íèê, èìåþùèé íà äíå ìàëîå îòâåðñòèå äëÿ
ôîðìèðîâàíèÿ ñòðóè; 2 — ýëåêòðîäû äëÿ âûñîêî÷àñòîò-
íîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ðàçðÿäà; 3 — çàïîëíåííàÿ ñâåðõòå-
êó÷èì ãåëèåì ÿ÷åéêà; 4 — îñíîâíàÿ ãåëèåâàÿ âàííà îò-
êà÷èâàåìîãî êðèîñòàòà; 5 — êàïèëëÿð êîíòðîëÿ óðîâíÿ
ñâåðõòåêó÷åãî ãåëèÿ â ÿ÷åéêå. Íàïðàâëåíèÿ ïîòîêîâ ãà-
çîîáðàçíîãî ãåëèÿ óêàçàíû ñòðåëêàìè.
ùèì ïîòîêîì. Âåðîÿòíîñòü çàõâàòà ïðèìåñè ãåëèåì
ìîæíî çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èòü, ïðèìåíÿÿ ïðåäëî-
æåííóþ íàìè íåäàâíî ìåòîäèêó, â êîòîðîé ïîòîê
è ïðîòèâîòîê ãåëèÿ ðàçäåëåíû ôèçè÷åñêè (ñì.
ðèñ. 1,á) [13].  ýòîì ñëó÷àå òåïëîâàÿ ñâÿçü îñíîâ-
íîé ãåëèåâîé âàííû ñ êþâåòîé, â êîòîðîé ïðîèñõî-
äèò êîíäåíñàöèÿ ãåëèåâîé ñòðóè, îñóùåñòâëÿåòñÿ çà
ñ÷åò òåïëîïðîâîäíîñòè ìàòåðèàëà ñòåíîê êþâåòû.
Ïðè èñïîëüçîâàíèè ýëåêòðîëèòè÷åñêîé ìåäè ðàçíè-
öà òåìïåðàòóð ãåëèåâîé âàííû è ñâåðõòåêó÷åãî ãå-
ëèÿ âíóòðè êþâåòû íå ïðåâûøàëà âî âðåìÿ êîíäåí-
ñàöèè 0,01 Ê. Ñâåðõòåêó÷èé ãåëèé âíóòðè êþâåòû
ñëóæèë êðèîíàñîñîì äëÿ êîíäåíñèðóåìîé ñòðóè, åãî
óðîâåíü ïîääåðæèâàëè ïîñòîÿííûì ñ ïîìîùüþ îò-
êà÷êè ãåëèÿ ÷åðåç äîïîëíèòåëüíûé êàïèëëÿð.  ñòà-
öèîíàðíûõ óñëîâèÿõ ïîòîê, âûõîäÿùèé ÷åðåç ýòîò
êàïèëëÿð, îïðåäåëÿë ïîòîê, âõîäÿùèé â æèäêèé ãå-
ëèé. Â ýòîé ìåòîäèêå âîñõîäÿùèé ïîòîê â êþâåòå
îòñóòñòâîâàë âîîáùå, è âñÿ ñòðóÿ çàõâàòûâàëàñü
æèäêèì ãåëèåì. Êðîìå òîãî, çàìêíóòûé öèêë ïî ãå-
ëèþ, èñïîëüçóåìîìó ïðè êîíäåíñàöèè, ïîçâîëÿë ðà-
áîòàòü ñî ñïåöèàëüíî î÷èùåííûì ãåëèåì è äàæå ñ
3Íå. Âî âñåì îñòàëüíîì óñëîâèÿ êîíäåíñàöèè áûëè
òàêèìè æå, êàê è â ìåòîäèêàõ ñ îòêðûòûì ïî îòíî-
øåíèþ ê ãåëèþ öèêëîì.
Åñòåñòâåííî, ÷òî êîàãóëÿöèÿ ïðèìåñè ìîæåò ïðî-
äîëæèòüñÿ âíóòðè æèäêîãî ãåëèÿ. Âîïðîñ î âçàè-
ìîäåéñòâèè èíäèâèäóàëüíûõ ìîëåêóë è ìàëûõ êëàñ-
òåðîâ â êâàíòîâîé æèäêîñòè ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç íàè-
áîëåå èíòåðåñíûõ â ðàññìàòðèâàåìîé ïðîáëåìå. Â
ýêñïåðèìåíòàõ ñ èñïîëüçîâàíèåì ñòðóåâîé ìåòîäèêè
íàáëþäàëèñü ÷ðåçâû÷àéíî âûñîêèå êîíöåíòðàöèè
ñòàáèëèçèðîâàííûõ àòîìîâ, ñïåöèôè÷åñêîå âëèÿíèå
ñâåðõòåêó÷åñòè íà ñòàáèëüíîñòü îáðàçöîâ è íåîáû-
÷àéíî äëèòåëüíûå âðåìåíà æèçíè ýëåêò-
ðîííî-âîçáóæäåííûõ ìåòàñòàáèëüíûõ àòîìîâ, çà-
õâà÷åííûõ â êîíäåíñàò. Ýòî ïðèâåëî íàñ ê èäåå î
ñóùåñòâîâàíèè âíóòðè ãåëèÿ ñâîåîáðàçíîé ïðè-
ìåñü-ãåëèåâîé òâåðäîé ôàçû [14]. Ïîëàãàëîñü, ÷òî
îíà ñîñòîèò èç ñìåðçøèõñÿ ìåæäó ñîáîé èíäèâèäó-
àëüíûõ ÷àñòèö èëè ìàëûõ êëàñòåðîâ, îêðóæåííûõ
ìîíîñëîåì ãåëèÿ, îòâåðäåâøåãî âñëåäñòâèå åãî ëî-
êàëèçàöèè â ïîëå âàíäåðâààëüñîâûõ ñèë. Êîíå÷íî,
òàêîå ñîñòîÿíèå ìîæåò áûòü òîëüêî ìåòàñòàáèëü-
íûì, è ðàññ÷èòàííûé áàðüåð äëÿ ïðîöåññà ïàðíîãî
ñëèÿíèÿ äâóõ îêðóæåííûõ ãåëèåâîé îáîëî÷êîé ïðè-
ìåñíûõ öåíòðîâ ñîñòàâëÿåò âñåãî 28 Ê, ÷òî íåäîñòà-
òî÷íî äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ äîëãîâðåìåííîé ñòàáèëü-
íîñòè [15], îäíàêî â òðåõìåðíîé ðåøåòêå áàðüåð
äîëæåí áûòü ðàçà â òðè âûøå, îáåñïå÷èâàÿ òåì ñà-
ìûì íåîáõîäèìóþ ìåòàñòàáèëüíîñòü. Íàìè áûëè
ïðåäïðèíÿòû ïîïûòêè îáíàðóæèòü ýòó ïðèìåñü-ãå-
ëèåâóþ ôàçó, íî, ê ñîæàëåíèþ, âñå îíè îêàçàëèñü
òùåòíûìè.  ÷àñòíîñòè, ðåíòãåíîñòðóêòóðíûå èñ-
ñëåäîâàíèÿ, âûïîëíåííûå ñîâìåñòíî ñ ñîòðóäíèêàìè
Ïðèíñòîíñêîãî óíèâåðñèòåòà (ÑØÀ) [16], îäíî-
çíà÷íî óêàçàëè íà íàëè÷èå â êîíäåíñàòå êëàñòåðîâ
ïðèìåñíûõ ÷àñòèö, èìåþùèõ äîñòàòî÷íî ðåãóëÿð-
íóþ âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó è ðàçìåðû îêîëî 3 íì.
Íåäàâíî â Êîðíåëüñêîì óíèâåðñèòåòå (ÑØÀ) áûëè
ïðîâåäåíû àíàëîãè÷íûå ýêñïåðèìåíòû ñ èñïîëüçî-
âàíèåì ïîäîáíîãî ìåòîäà êîíäåíñàöèè (îáçîð ýòèõ
ðàáîò ïðåäñòàâëåí â äîêëàäå Ä.Ì. Ëè íà êîíôåðåí-
öèè Íîáåëåâñêèõ ëàóðåàòîâ 2002 ãîäà [17]). Â íèõ
áûëè âîñïðîèçâåäåíû ìíîãèå èç ïîëó÷åííûõ íàìè
ðàíåå ðåçóëüòàòîâ, íî â òî æå âðåìÿ îêàçàëîñü, ÷òî
çâóê â îñàæäåííîì â ñâåðõòåêó÷èé ãåëèé êîíäåíñàòå
ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ òàê æå, êàê è â ïðîïèòàííîì æèä-
êèì ãåëèåì àýðîãåëå [18].
Òîò ôàêò, ÷òî ïîëó÷åííûé â æèäêîì ãåëèè êîí-
äåíñàò ñîñòîèò èç êëàñòåðîâ ïðèìåñè, íå áûë íåîæè-
äàííûì, ïîñêîëüêó ñëèïàíèå ìîëåêóë ïðèìåñè ìîã-
ëî ïðîèñõîäèòü åùå â ãàçå, âî âðåìÿ èõ òðàíñïîðòà ê
ïîâåðõíîñòè æèäêîñòè. Äåéñòâèòåëüíî, êàê â íàøèõ
ðàáîòàõ, òàê è â íåäàâíèõ èññëåäîâàíèÿõ, ïðîâå-
äåííûõ ñ ïîìîùüþ àíàëîãè÷íîé ìåòîäèêè [16–18],
êîíöåíòðàöèÿ ïðèìåñè áûëà êàê ìèíèìóì íà 2–3
ïîðÿäêà âûøå, ÷åì îòâå÷àþùàÿ êðèòåðèþ (2). Íà-
êîíåö, â âûïîëíåííîé â ñàìîå ïîñëåäíåå âðåìÿ ñ ïî-
ìîùüþ òîé æå ìåòîäèêè ðàáîòå [19] áûëè ïîëó÷å-
íû ñïåêòðîñêîïè÷åñêèå äîêàçàòåëüñòâà îáðàçîâàíèÿ
êëàñòåðîâ â íèæíåé ÷àñòè ñòðóè. È õîòÿ àâòîðû
[16–18] ïðîäîëæàþò èñïîëüçîâàòü ââåäåííûé â [14]
òåðìèí «ïðèìåñü-ãåëèåâàÿ òâåðäàÿ ôàçà», ÿñíî, ÷òî
ìû èìååì äåëî ñ ñîâñåì äðóãèì îáúåêòîì. Ïîýòîìó
ïðåæäå âñåãî ñòîèò âûÿñíèòü, ÿâëÿåòñÿ ëè êîíäåíñà-
öèÿ ïðèìåñè â ñâåðõòåêó÷åì ãåëèè èç íàïðàâëåííîé
â íåãî ñòðóè ïðîñòî óäîáíûì ñïîñîáîì ñîçäàíèÿ
âíóòðè æèäêîñòè ïîðèñòîé ñòðóêòóðû, àíàëîãè÷íîé
àýðîãåëþ, èëè æå îáðàçóþùàÿñÿ ñòðóêòóðà èìååò
îïðåäåëåííóþ ñïåöèôèêó. Ýòîò âîïðîñ ïðåäñòàâëÿ-
åò îäèí èç îñíîâíûõ ïðåäìåòîâ äàííîé ðàáîòû.
Àíàëèç ïðîáëåìû óäîáíî íà÷àòü ñ ðàññìîòðåíèÿ
ðåçóëüòàòîâ, ïîëó÷åííûõ ïðè êîíäåíñàöèè áèíàð-
íûõ ñìåñåé ïðèìåñåé. Íà ðèñ. 2 ïðåäñòàâëåíû ðåíò-
ãåíîâñêèå äèôðàêòîãðàììû êîíäåíñàòà ñìåñè àçîòà
è íåîíà â ãåëèè N2 : Ne : He = 1: 1 : 200. Ýòîò ýêñïå-
ðèìåíò áûë ïðîâåäåí íàìè ñîâìåñòíî ñ Ïðèíñòîí-
ñêîé ãðóïïîé íà ñèíõðîòðîííîì èñòî÷íèêå èçëó÷å-
íèÿ Áðóêõåâåíñêîé íàöèîíàëüíîé ëàáîðàòîðèè
(ÑØÀ) âî âðåìÿ âûïîëíåíèÿ ðàáîòû [16]. Â ñïåê-
òðå êîíäåíñàòà ÿâíî ïðèñóòñòâóþò îáà äèôðàêöèîí-
íûõ ïèêà àçîòà, îòâå÷àþùèå êóáè÷åñêîé ñòðóêòóðå
åãî ðåøåòêè. Àíàëèç ôîðìû ïèêîâ, àíàëîãè÷íûé
ïðîâåäåííîìó â [16], ïîêàçûâàåò, ÷òî â ïðåäïîëî-
æåíèè èäåàëüíîñòè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè îíè
îòâå÷àþò êëàñòåðàì, ñîäåðæàùèì ïîðÿäêà 103 ìîëå-
êóë. Ïðè íàëè÷èè â êëàñòåðàõ àçîòà 0,1% ñëó÷àéíî
1012 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 10
Å.Á. Ãîðäîí
ðàñïîëîæåííûõ àòîìîâ íåîíà ïîäîáíûå ïèêè äîëæ-
íû íàáëþäàòüñÿ äëÿ êëàñòåðîâ, ñîñòîÿùèõ èç 104
ìîëåêóë, à ñîäåðæàíèå â ñîñòàâå êëàñòåðà 1% ïðè-
ìåñè äîëæíî ïðèâîäèòü ê ïîäàâëåíèþ äèôðàêöèè
âîîáùå (ïî êðàéíåé ìåðå ïðè 10%-é ïðèìåñè Ne â N2
ýêñïåðèìåíòàëüíî íå îáíàðóæåíî íèêàêèõ åå ïðè-
çíàêîâ [20]). Èíòåíñèâíîñòè ïèêîâ áûëè áëèçêè ê
ïîëó÷åííûì ïðè êîíäåíñàöèè ÷èñòîãî àçîòà, ýòî
ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî êëàñòåðîâ ñî ñìåøàííûì
ýëåìåíòíûì ñîñòàâîì íå äîëæíî áûòü ìíîãî. Òàêèì
îáðàçîì, ïðè êîíäåíñàöèè ñìåñåé, ñîäåðæàùèõ ðàâ-
íûå êîëè÷åñòâà àçîòà è íåîíà, îáðàçóþòñÿ, òåì íå
ìåíåå, êîìïàêòíûå âêëþ÷åíèÿ, ñîñòîÿùèå ïî êðàé-
íåé ìåðå èç 103 ìîëåêóë àçîòà è ñîäåðæàùèå ìåíåå
1% ïðèìåñè àòîìîâ íåîíà. Òðóäíî ïðåäñòàâèòü ñåáå,
÷òî òàêàÿ ñåãðåãàöèÿ ïî ýëåìåíòíîìó ñîñòàâó ìîãëà
ïðîèñõîäèòü âíóòðè æèäêîãî ãåëèÿ, ãäå ëþáûå ïî-
ñòîðîííèå ÷àñòèöû ñëèïàþòñÿ ñ îäèíàêîâîé è áëèç-
êîé ê åäèíèöå âåðîÿòíîñòüþ. Ïîýòîìó ïðèõîäèòñÿ
äîïóñòèòü, ÷òî â óñëîâèÿõ íàøèõ ýêñïåðèìåíòîâ
ëèáî êëàñòåðû àçîòà (ìåíåå ëåòó÷åãî, ÷åì íåîí) óñ-
ïåâàþò âûðàñòè â ãàçå äî ïîïàäàíèÿ â îáëàñòü òåì-
ïåðàòóð, ãäå íà÷èíàåòñÿ êîàãóëÿöèÿ íåîíà, ëèáî
îáðàçóþùèéñÿ òâåðäûé ðàñòâîð àçîòà è íåîíà óñïå-
âàåò ðàñïàñòüñÿ ïðè îõëàæäåíèè. Â îòñóòñòâèå
ñòðóè çà ñ÷åò ìíîãîêðàòíîãî îòæèãà ïðè áðîóíîâ-
ñêîì äâèæåíèè êëàñòåðà ðàçäåëåíèå ôàç âåñüìà âå-
ðîÿòíî. Îäíàêî â óñëîâèÿõ íàøèõ ýêñïåðèìåí-
òîâ, ïîñêîëüêó äàâëåíèå íàñûùåííîãî ïàðà, ðàâíîå
10 Ïà, ïðè êîòîðîì íà÷èíàåòñÿ êîíäåíñàöèÿ, äîñòè-
ãàåòñÿ äëÿ àçîòà è íåîíà ïðè 40 è 14 Ê ñîîòâåòñòâåí-
íî, à íàïðàâëåííîñòü äâèæåíèÿ ÷àñòèö âíóòðè ñòðóè
äåëàåò êèíåòèêó èçìåíåíèÿ èõ òåìïåðàòóðû ìîíî-
òîííîé, ýòî âðÿä ëè ìîæåò îñóùåñòâèòüñÿ. Âûñîêèå
êîíöåíòðàöèè ñòàáèëèçèðîâàííûõ àòîìîâ, íàáëþ-
äàâøèåñÿ â íàøèõ ýêñïåðèìåíòàõ, ÿâëÿþòñÿ ïðÿ-
ìûì äîêàçàòåëüñòâîì ðàçäåëåíèÿ ôàç â ïðîöåññå
ðîñòà êëàñòåðà — ïðè âûäåëåíèè â îòäåëüíóþ ôàçó
àòîìû, áåçóñëîâíî, ðåêîìáèíèðîâàëè áû.
Ñå÷åíèÿ ðàññåÿíèÿ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé íà ìîëå-
êóëàõ àçîòà è àòîìàõ íåîíà ñðàâíèìû, à èõ ñóììàð-
íûå êîëè÷åñòâà â çîíå íàáëþäåíèÿ äîëæíû áûòü
ðàâíû. Òåì íå ìåíåå â ñïåêòðå êîíäåíñàòà ïðè Ò =
= 4,2 Ê äèôðàêöèîííûå ïèêè íåîíà, åñëè è ïðèñóò-
ñòâóþò, òî î÷åíü ñëàáû. (Ëèøü íàãðåâ äî Ò =
= 13–16 Ê, êîãäà ðàçìîðàæèâàåòñÿ ïîäâèæíîñòü â
íåîíå, ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ïèêîâ, îòâå÷àþùèõ
ÃÖÊ ñòðóêòóðå êðèñòàëëè÷åñêîãî íåîíà, ÷üÿ àìïëè-
òóäà è øèðèíà áëèçêà ê òàêîâûì äëÿ àçîòà.) Åñòåñò-
âåííîé ïðè÷èíîé òàêîãî ïîâåäåíèÿ ÿâëÿåòñÿ îñàæ-
äåíèå ïðè ñåäèìåíòàöèè â ãàçå çíà÷èòåëüíîé ÷àñòè
íåîíà íà ïîâåðõíîñòü óæå ñôîðìèðîâàííûõ àçîò-
íûõ êëàñòåðîâ. Ïðè ðàâíûõ îáúåìàõ, çàíèìàåìûõ
ýëåìåíòàìè, òîëùèíà îáîëî÷êè êëàñòåðà, îïðåäå-
ëÿþùàÿ øèðèíó äèôðàêöèîííîãî ïèêà îò ìàòåðèà-
ëà îáîëî÷êè, äîëæíà áûòü, êàê ëåãêî îöåíèòü, â 6
ðàç ìåíüøå äèàìåòðà ÿäðà, îïðåäåëÿþùåãî øèðèíó
ïèêà îò ìàòåðèàëà ÿäðà. Â òî æå âðåìÿ îáðàçîâàíèå
ïåðâûõ ñëîåâ íåîíà íà ïîâåðõíîñòè àçîòíîãî êëàñòå-
ðà äîëæíî íà÷èíàòüñÿ ïðè áîëåå âûñîêîé òåìïå-
ðàòóðå, ÷åì ôîðìèðîâàíèå íåîíîâûõ êëàñòåðîâ,
ïîñêîëüêó âçàèìîäåéñòâèå Ne–N2 ñèëüíåå, ÷åì âçàè-
ìîäåéñòâèå Ne–Ne.
Ïîõîæèå ýôôåêòû áûëè îáíàðóæåíû ïîçäíåå
[21] è ïðè îñàæäåíèè ñìåñåé D2 è N2: â êîíäåíñàòå,
íàõîäÿùåìñÿ âíóòðè æèäêîãî ãåëèÿ, îò÷åòëèâî íà-
áëþäàëèñü äèôðàêöèîííûå ïèêè îò êëàñòåðîâ äåé-
òåðèÿ è àçîòà.
Ïðîàíàëèçèðóåì òåïåðü, ê ÷åìó ïðèâîäèò ìîäåëü
ïîñëåäîâàòåëüíîé êîàãóëÿöèè â ñòðóå â ñëó÷àå èñ-
ïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå ïðèìåñíûõ ÷àñòèö ÷àñòè÷íî
äèññîöèèðîâàííûõ äâóõàòîìíûõ ìîëåêóë, òàêèõ êàê
H2, D2 è, ïðåæäå âñåãî, N2, äëÿ êîíäåíñàòà êîòîðûõ
è áûëè ïîëó÷åíû íàèáîëåå èíòåðåñíûå ðåçóëüòàòû,
ïðèâåäøèå ê ãèïîòåçå ïðèìåñü-ãåëèåâîé ôàçû. Ïî-
ëÿðèçóåìîñòü àòîìîâ âñåãäà ñóùåñòâåííî ìåíüøå,
÷åì ïîëÿðèçóåìîñòü ñîñòîÿùèõ èç íèõ ìîëåêóë, à
àòîì íåîíà õîðîøî ìîäåëèðóåò àòîì àçîòà, ïîñêîëü-
êó èõ ïîëÿðèçóåìîñòè áëèçêè.  ÷àñòíîñòè, ãèïîòå-
òè÷åñêèé êëàñòåð èç íåðåêîìáèíèðóþùèõ àòîìîâ N
äîëæåí áûë áû îáðàçîâûâàòüñÿ ïðèìåðíî ïðè òåõ
æå òåìïåðàòóðàõ, ÷òî è êëàñòåð èç àòîìîâ Ne. Ýòî
îçíà÷àåò, ÷òî ïðè êîíäåíñàöèè ÷àñòè÷íî àòîìèçèðî-
Êîíäåíñàöèÿ ïðèìåñåé â æèäêîì è òâåðäîì ãåëèè
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 10 1013
20
16
12
8
4
0
10 12 14 16 18 20
Ne
È
í
òå
í
ñè
âí
î
ñò
ü
N2
2 , ãðàä�
Ðèñ. 2. Äèôðàêòîãðàììà îáðàçöà, ïîëó÷åííîãî êîíäåí-
ñàöèåé ñìåñè N2:Ne:He = 1:1:200 [22]. ×åòûðå âåðõíèå
êðèâûå ñîîòâåòñòâóþò (ñâåðõó-âíèç) âûäåðæêå îáðàçöà
â æèäêîì (4,2 Ê) ãåëèè; íèæíèå îòâå÷àþò ñóõîìó îá-
ðàçöó ïðè Ò = 13 Ê (òîíêàÿ ëèíèÿ) è Ò = 16 Ê (æèðíàÿ
ëèíèÿ). Ïîëîæåíèÿ äèôðàêöèîííûõ ïèêîâ óêàçàíû
ñòðåëêàìè. Òðè íàïðàâëåííûå âíèç ñòðåëêè îòìå÷àþò
ïîëîæåíèÿ ïèêîâ áåðèëëèÿ, èç êîòîðîãî áûëà èçãîòîâ-
ëåíà êþâåòà. Íàáëþäàåìîå ôîíîâîå ðàññåÿíèå â îñíîâ-
íîì îáÿçàíî æèäêîìó ãåëèþ.
âàííîãî ïîä äåéñòâèåì âûñîêî÷àñòîòíîãî ýëåêòðè÷å-
ñêîãî ðàçðÿäà àçîòà ñíà÷àëà îáðàçóþòñÿ êëàñòåðû,
ñîñòîÿùèå èç ìîëåêóëÿðíîãî àçîòà, à çàòåì íà èõ ïî-
âåðõíîñòü êîíäåíñèðóþòñÿ àòîìû N. Ýôôåêò ñå-
ãðåãàöèè äîëæåí áûòü ñòîëü æå ñèëüíûì, êàê è â
ñëó÷àå ïðèìåñíîãî íåîíà, ïîýòîìó ëîêàëüíàÿ êîí-
öåíòðàöèÿ àòîìîâ â êîíäåíñàòå äîëæíà îïðåäåëÿòü-
ñÿ, ñêîðåå, íå èõ ñîäåðæàíèåì â èñõîäíîé ãàçîâîé
ñìåñè, à ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìîé ïî îòíîøåíèþ ê
âçàèìíîé ðåêîìáèíàöèè ñòàáèëèçèðîâàííûõ àòîìîâ
êîíöåíòðàöèåé. Ýòîò âûâîä ïðåäñòàâëÿëñÿ íàì
âåñüìà âàæíûì, ïîýòîìó ìû ñî÷ëè íåîáõîäèìûì
íàéòè ñïîñîá îòâåðãíóòü õîòÿ è ìàëîâåðîÿòíóþ, íî
âñå-òàêè ñóùåñòâóþùóþ âîçìîæíîñòü ôàçîâîé ñåã-
ðåãàöèè ïðè ìåòàìîðôîçàõ ñîñòîÿùåãî èç äâóõ ðàç-
íûõ âåùåñòâ êîíäåíñàòà âíóòðè æèäêîãî ãåëèÿ.
Äëÿ ýòîãî ñëåäîâàëî ïîäàâèòü â ýêñïåðèìåíòå äâè-
æåíèå ìèêðî÷àñòèö êîíäåíñàòà â êîíäåíñèðîâàííîì
ãåëèè, ò.å. ïðîâîäèòü êîíäåíñàöèþ â òâåðäûé ãåëèé.
Ââåäåíèå ïðèìåñåé â òâåðäûé ãåëèé
Îñàæäåíèå ðàçáàâëåííîãî èíåðòíûì ãàçîì èçó-
÷àåìîãî âåùåñòâà â âèäå òâåðäîãî òåëà íà õîëîäíóþ
ïîäëîæêó ÿâëÿåòñÿ îáû÷íîé ïðàêòèêîé ìàòðè÷íîé
èçîëÿöèè. Îäíàêî òàêîé ïîäõîä ïðåäñòàâëÿëñÿ íå-
ïðèåìëåìûì äëÿ èçîëÿöèè â ãåëèè, õîòÿ áû ïîòîìó,
÷òî ïîñëåäíèé ÿâëÿåòñÿ åäèíñòâåííûì âåùåñòâîì,
íå èìåþùèì òðîéíîé òî÷êè è îáëàñòè ñîñóùåñòâîâà-
íèÿ ãàçà è òâåðäîãî òåëà. Åùå áîëåå òðóäíîïðåîäî-
ëèìûì êàçàëîñü òî îáñòîÿòåëüñòâî, ÷òî ïîëîæåíèå
ãðàíèöû ìåæäó òâåðäûì è æèäêèì ãåëèåì ïðè çà-
äàííîì äàâëåíèè îïðåäåëÿåòñÿ òåìïåðàòóðíûì ïî-
ëåì è íà íåå íåëüçÿ íè÷åãî «íàðàñòèòü», êàê ýòî
îáû÷íî äåëàåòñÿ ïðè âûðàùèâàíèè îáðàçöà â
ðàìêàõ ìåòîäà ìàòðè÷íîé èçîëÿöèè. Òåì íå ìåíåå
íàì óäàëîñü ñîçäàòü ìåòîä âûðàùèâàíèÿ äîïèðî-
âàííûõ ïðèìåñüþ ãåëèåâûõ êðèñòàëëîâ [23,24].
Ïðèíöèï ìåòîäà ÿñåí èç ðèñ. 3.
Ãåëèåâûé êðèñòàëë âûðàùèâàëè â âåðòèêàëüíîì
öèëèíäðè÷åñêîì ñîñóäå èç ñàïôèðà, ïîìåùåííîì â
îáúåì ñâåðõòåêó÷åãî ãåëèÿ. Ñâåðõó ñîñóä ñîåäèíåí ñ
ñèñòåìîé ïîäà÷è ãåëèÿ âûñîêîãî (26–30 áàð) äàâëå-
íèÿ. Åñëè óäàëÿòü ãåëèé ñî äíà ñîñóäà ñ ïîñòîÿííîé
ñêîðîñòüþ, òî, ïîñêîëüêó òðåíèå êðèñòàëëà î íå
ñìà÷èâàåìûå èì ñòåíêè ñîñóäà ìàëó ïî ñðàâíåíèþ ñ
ñèëàìè, âîçíèêàþùèìè óæå ïðè î÷åíü ìàëûõ ãðàäè-
åíòàõ äàâëåíèÿ, êðèñòàëë íà÷èíàåò êàê öåëîå äâè-
ãàòüñÿ âíèç. Ïðè ýòîì çà ñ÷åò âîçíèêàþùåãî ïîòîêà
ãåëèÿ â ÿ÷åéêó èç ñèñòåìû ïîäà÷è êðèñòàëë îä-
íîâðåìåííî íàðàñòàåò ñâåðõó äî ïðåæíåãî óðîâíÿ.
Òàêèì îáðàçîì, îáðàçåö îñòàåòñÿ íà ìåñòå, à åãî ñî-
äåðæèìîå ïåðåìåùàåòñÿ âíèç ñî ñêîðîñòüþ, îïðåäå-
ëÿåìîé èñõîäÿùèì èç ÿ÷åéêè ïîòîêîì. Ïîñêîëüêó
âõîäÿùèé ïîòîê ïîäàåòñÿ ÷åðåç ìàëîå îòâåðñòèå, à ê
ãåëèþ ïîäìåøàíî íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî öåëåâîé
ïðèìåñè, òî âîçíèêàþùàÿ ìîùíàÿ ñòðóÿ áûñòðî äîñ-
òàâëÿåò ïðèìåñü ê ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî ãåëèÿ.
Íà ðèñ. 3,à ïðåäñòàâëåíà òèïè÷íàÿ ãåîìåòðèÿ
ïðîöåññà ðîñòà îáðàçöà, ðåàëèçîâàííîãî íà ýêñïåðè-
ìåíòàëüíîé óñòàíîâêå, ñîçäàííîé â Êèîòñêîì óíè-
âåðñèòåòå, ßïîíèÿ [25]. Ïîäáèðàÿ ñîîòâåòñòâóþùèì
îáðàçîì óñëîâèÿ ýêñïåðèìåíòà — äàâëåíèå â êþâå-
òå, âåëè÷èíó ïîòîêà ãåëèÿ, ìîùíîñòü íàãðåâà ôîð-
ìèðóþùåãî ñòðóþ îòâåðñòèÿ — ìîæíî äîáèòüñÿ ñòà-
áèëüíîñòè ïîëîæåíèÿ âåðõíåé ãðàíèöû êðèñòàëëà
ãåëèÿ ñ òî÷íîñòüþ 0,2 ìì â òå÷åíèå ÷àñà. Çà ýòî âðå-
ìÿ óäàâàëîñü âûðàñòèòü äîïèðîâàííûé êðèñòàëë
âûñîòîé áîëåå 20 ìì.
Äëÿ äåìîíñòðàöèè ÿâëåíèÿ ñåãðåãàöèè â ñòðóå
íàä ïîâåðõíîñòüþ òâåðäîãî ãåëèÿ âûáðàíû óñëîâèÿ,
áëèçêèå ê ïîñòàíîâêå ýêñïåðèìåíòîâ ïî êîíäåíñà-
öèè ïðèìåñè â æèäêîì ãåëèè. Âõîäíîå îòâåðñòèå
èìåëî òàêîé ðàçìåð, ÷òîáû ðàñ÷åòíàÿ ñêîðîñòü
ñòðóè íà ñðåçå ñîïëà áûëà áëèçêà ê ñêîðîñòè çâóêà;
ñ ó÷åòîì íà òðè ïîðÿäêà áîëüøåé ïëîòíîñòè ãàçà
1014 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 10
Å.Á. Ãîðäîí
s
�
g
1 cì
6
5
4
3
9
87
1
2
> >
a á
Ðèñ. 3. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà ìåòîäèêè ââåäåíèÿ ïðè-
ìåñåé â òâåðäûé ãåëèé [23]: 1 — òðóáêà èç ñàïôèðà,
2 — ïîðèñòûé ôèëüòð èç îêèñè àëþìèíèÿ, 3 — âûõîä-
íîé êàïèëëÿð, 4 — ìåäíûå ôëàíöû, 5 — âõîäíîé êà-
ïèëëÿð ñ âàêóóìíîé òåïëîèçîëÿöèåé è ìàëûì îòâåðñòè-
åì íà íèæíåì êîíöå, 6 — áàëëîí âûñîêîãî äàâëåíèÿ,
7 — ðåãóëÿòîð äàâëåíèÿ (ðåäóêòîð), 8 — ðåãóëÿòîðû
ïîòîêà, 9 — âåíòèëü. Íà âðåçêå á ïðåäñòàâëåíà òèïè÷-
íàÿ ãåîìåòðèÿ ðîñòà äîïèðîâàííîãî ãåëèåâîãî êðèñòàë-
ëà: g — ãàçîâàÿ ëóíêà, l — ñëîé æèäêîãî (ñâåðõòåêó÷å-
ãî) ãåëèÿ, s — òâåðäûé ãåëèé.
äèàìåòð îòâåðñòèÿ âûáðàí ðàâíûì 20 ìêì. Åñëè òè-
ïè÷íûìè ñòåïåíÿìè ðàçáàâëåíèÿ ïðèìåñè â èñõîä-
íîé ñìåñè â ýêñïåðèìåíòàõ ñ æèäêèì ãåëèåì áûëè
1:100, òî çäåñü — 1:100 000.  êà÷åñòâå ïðèìåñè âû-
áðàíà ìîëåêóëà ÑÎ; ñ ïîìîùüþ FTIR-ñïåêòðîìåòðà
âûñîêîãî ðàçðåøåíèÿ ðåãèñòðèðîâàëñÿ êîëåáàòåëü-
íûé ïåðåõîä (v = 0, J = 0 � v = 1, J = 1), èìåþùèé
ìåñòî â âàêóóìå ñ öåíòðîì ïîëîñû íà ÷àñòîòå
2143 ñì–1. Êàê èçâåñòíî, â òâåðäîé ìîíîîêèñè óã-
ëåðîäà ðàññìàòðèâàåìûé ïåðåõîä èìååò âèä ñðàâ-
íèòåëüíî øèðîêîé, 2,5 ñì–1, ïîëîñû ñ öåíòðîì
2140 ñì–1; ïðè ìàòðè÷íîé èçîëÿöèè ìîëåêóë ÑÎ íå-
îíîì øèðèíà ëèíèè ñîñòàâëÿåò îêîëî 0,1 ñì–1; ïðè
èçîëÿöèè ïàðàâîäîðîäîì íàáëþäàåìàÿ øèðèíà ëè-
íèè — ìåíåå 10–3 ñì–1, òàêîé æå øèðèíû ìîæíî
îæèäàòü è â òâåðäîì ãåëèè. Íà ðèñ. 4 ïðåäñòàâëåí
ñïåêòð ÑÎ ïðè îñàæäåíèè â òâåðäûé ãåëèé ñìåñè
ÑÎ:Ne:He = 1:12:80 000. Ïîñêîëüêó âîêðóã ìîëåêó-
ëû ÑÎ ìîãóò ðàçìåñòèòüñÿ êàê ðàç 12 àòîìîâ Ne,
ïðè ñëó÷àéíîì ðàñïîëîæåíèè ÷àñòèö â êîíäåíñàòå
çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü ìîëåêóë ÑÎ äîëæíà áûòü èçî-
ëèðîâàííîé îò äðóãèõ ìîëåêóë ïî êðàéíåé ìåðå îä-
íèì ñëîåì àòîìîâ íåîíà. Ýòîãî áûëî áû äîñòàòî÷íî,
÷òîáû âî ìíîãî ðàç óìåíüøèòü øèðèíó ëèíèè ïî
ñðàâíåíèþ ñ òâåðäûì ÑÎ, âî ñòîëüêî æå ðàç óâåëè-
÷èâ èíòåíñèâíîñòü. Îäíàêî äåòåêòèðóåìàÿ ïîëîñà
íè÷åì íå îòëè÷àëàñü îò ðåãèñòðèðóåìîé ïðè êîíäåí-
ñàöèè ñìåñè ÑÎ:Íå è áûëà áëèçêà ïî ôîðìå ê èç-
âåñòíîé èç ëèòåðàòóðû ïîëîñå, íàáëþäàåìîé â òâåð-
äîì ÑÎ. Òàêèì îáðàçîì, è â ýòîì ñëó÷àå ïðè
êîíäåíñàöèè èçáèðàòåëüíî îáðàçóþòñÿ êëàñòåðû èç
ìåíåå ëåòó÷åãî êîìïîíåíòà ïðèìåñè. Ïðè ýòîì ðàç-
ìåðû êëàñòåðîâ ÑÎ äîñòàòî÷íî âåëèêè — äëÿ îëè-
ãîìåðîâ (ÑÎ)n, n � 10, öåíòð ëèíèè äîëæåí íàõî-
äèòüñÿ íà äðóãîé ÷àñòîòå, à íà åå îãèáàþùåé äîëæíà
áûòü âèäíà ñîîòâåòñòâóþùàÿ ñòðóêòóðà. Èç òàêîé
ïîñòàíîâêè ýêñïåðèìåíòà, â îòëè÷èå îò êîíäåíñàöèè
ñòðóè â æèäêîì ãåëèè, î÷åâèäíî, ÷òî ñåãðåãàöèÿ ïî
ñîñòàâó â êëàñòåðàõ ïðîèñõîäèò äî ïîïàäàíèÿ ïðè-
ìåñè â êîíäåíñèðîâàííûé ãåëèé.
Ñòðóêòóðà êîíäåíñàòà
Ïðîâåäåííûé àíàëèç ïîêàçàë, ÷òî ãëàâíîé è âàæ-
íîé îñîáåííîñòüþ êîíäåíñàòà, ïîëó÷àåìîãî ïðè ââå-
äåíèè ñîäåðæàùåé ïðèìåñè ãàçîâîé ãåëèåâîé ñòðóè
â æèäêèé è òâåðäûé ãåëèé, ÿâëÿåòñÿ ïðîñòðàíñòâåí-
íîå ðàçäåëåíèå â îáðàçóþùèõñÿ êëàñòåðàõ ïðèìåñåé
ðàçëè÷íîé ïðèðîäû. Îñîáî èíòåðåñíûå ñëåäñòâèÿ
íàáëþäàþòñÿ äëÿ ìîëåêóëÿðíîé ïðèìåñè, ÷àñòè÷íî
äèññîöèèðîâàííîé, íàïðèìåð, ïîä äåéñòâèåì ýëåê-
òðè÷åñêîãî ðàçðÿäà.  ýòîì ñëó÷àå ñëàáî ïîëÿðèçóå-
ìûå õèìè÷åñêè àêòèâíûå àòîìû êîíöåíòðèðóþòñÿ â
ïåðèôåðèéíûõ îáëàñòÿõ êëàñòåðà, è åñëè êëàñòåð
ñîñòîèò èç íå î÷åíü áîëüøîãî ÷èñëà ìîëåêóë, à ñòå-
ïåíü èõ äèññîöèàöèè íå ñëèøêîì âûñîêà, òî àòîìû
ðàñïîëàãàþòñÿ âáëèçè è íà ïîâåðõíîñòè, êàê ñõåìà-
òè÷åñêè ïîêàçàíî íà ðèñ. 5. Êàê óæå óïîìèíàëîñü,
êîíöåíòðàöèÿ àòîìîâ â ýòîé îáëàñòè ëèìèòèðîâàíà
èñêëþ÷èòåëüíî èõ ðåêîìáèíàöèåé, è ýòî ìàêñèìàëü-
íàÿ ëîêàëüíàÿ êîíöåíòðàöèÿ, êîòîðàÿ ìîæåò áûòü
ïîëó÷åíà íèçêîòåìïåðàòóðíîé ñòàáèëèçàöèåé. Äåé-
ñòâèòåëüíî, àòîìû íàõîäÿòñÿ ïðàêòè÷åñêè â ïðÿìîì
êîíòàêòå ñî ñâåðõòåêó÷èì ãåëèåì, è êðèòåðèè òåïëî-
âîé ñòàáèëüíîñòè (ïî îòíîøåíèþ ê òåïëîâîìó è òåï-
ëî-âîëíîâîìó âçðûâó), ðàññìîòðåííûå â [26], äëÿ
íèõ âñåãäà âûïîëíåíû. Ïîýòîìó êîíöåíòðàöèÿ ñòà-
áèëèçèðîâàííûõ àòîìîâ áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ èõ èçî-
òåðìè÷åñêîé ñòàáèëüíîñòüþ, ò.å. âðåìåíåì æèçíè
îòíîñèòåëüíî ðåêîìáèíàöèè ïðè äàííîé òåìïåðàòóðå.
Åñëè â ñîîòâåòñòâèè ñ äàííûìè ïî ðåíòãåíîâñêîé
äèôðàêöèè [16] ñ÷èòàòü, ÷òî êëàñòåðû, îáðàçóþùèå
êîíäåíñàò, ñîñòîÿò èç 1000 ìîëåêóë, òî ëåãêî ñîîá-
ðàçèòü, ÷òî äàæå ïðè ñòåïåíè äèññîöèàöèè â äåñÿòêè
ïðîöåíòîâ àòîìû ñòàáèëèçèðóþòñÿ â îñíîâíîì íà
ïîâåðõíîñòè êëàñòåðà. Ïîýòîìó èõ ìîæíî ñî âñåìè
Êîíäåíñàöèÿ ïðèìåñåé â æèäêîì è òâåðäîì ãåëèè
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 10 1015
0,110
0,105
0,100
0,095
2120 2130 2140 2150 2160
È
í
òå
í
ñè
âí
î
ñò
ü
� , ñì
–1
Ðèñ. 4. Ñïåêòð ïîãëîùåíèÿ ãåëèåâîãî êðèñòàëëà, äîïè-
ðîâàííîãî ñìåñüþ îêèñè óãëåðîäà è íåîíà CO:Ne = 1:12
[25]. Øòðèõîâîé ëèíèåé óêàçàíî ïîëîæåíèå íàèáîëåå èí-
òåíñèâíîé R0 ëèíèè ïðè èçîëÿöèè ÑÎ â ïàðàâîäîðîäå.
à á
Ðèñ. 5. Èäåàëèçèðîâàííîå ñòðîåíèå êëàñòåðîâ (çåðåí
êîíäåíñàòà ïðèìåñè â êîíäåíñèðîâàííîì ãåëèè) â ñëó÷à-
ÿõ ïðèìåñè, ñîñòîÿùåé èç äâóõ êîìïîíåíò, âçÿòûõ â
ðàâíûõ êîëè÷åñòâàõ (a), è ïðèìåñè, ñîñòîÿùåé èç ÷àñ-
òè÷íî àòîìèçîâàííûõ äâóõàòîìíûõ ìîëåêóë (á). Ïðåä-
ïîëàãàåòñÿ, ÷òî êëàñòåðû ñîäåðæàò 1000 ìîëåêóë; ñëîè
óêàçàíû øòðèõîâûìè îêðóæíîñòÿìè.
âûòåêàþùèìè ïîñëåäñòâèÿìè ñ÷èòàòü ôèçè÷åñêè
àäñîðáèðîâàííûìè íà ïîâåðõíîñòè, ñîñòîÿùåé èç
ðîäèòåëüñêèõ ìîëåêóë, è ïîãðóæåííûìè ïðè ýòîì â
ñâåðõòåêó÷èé ãåëèé.  ÷àñòíîñòè, äîëæíî ïðîÿâèòü-
ñÿ ñïåöèôè÷åñêîå âëèÿíèå ãåëèåâîãî îêðóæåíèÿ íà
îïòè÷åñêèå ñïåêòðû, âûçâàííîå ïåðåñòðîéêîé ãåëèå-
âîãî îêðóæåíèÿ ïðè âîçáóæäåíèè àòîìà [27,28].
Ñòàíîâèòñÿ ïîíÿòíûì, ïî÷åìó íàáëþäàåìûå íàìè
ðàíåå ñïåêòðû, îòâå÷àþùèå ëþìèíåñöåíöèè íà ïå-
ðåõîäå 2D �
4S ìåòàñòàáèëüíûõ àòîìîâ àçîòà [29], ñ
îäíîé ñòîðîíû, çàâèñåëè îò ðîäà òÿæåëîãî èíåðòíî-
ãî ãàçà — Xe, Kr, Ar è Ne, äîáàâëÿåìîãî â êîíäåí-
ñàò, à ñ äðóãîé — íàïîìèíàëè ïî ôîðìå ñïåêòðû
àòîìîâ, èçîëèðîâàííûõ â æèäêîì è òâåðäîì ãåëèè
[28]. Íåîáû÷àéíî áîëüøàÿ è íå çàâèñÿùàÿ â øèðî-
êèõ ïðåäåëàõ îò ñòåïåíè äèññîöèàöèè èñõîäíûõ ìî-
ëåêóë ëîêàëüíàÿ êîíöåíòðàöèÿ àòîìîâ îáúÿñíÿåò
ôîðìó ñïåêòðîâ ÝÏÐ ñòàáèëèçèðîâàííûõ â ñâåðõ-
òåêó÷åì ãåëèè àòîìîâ N [30], H è D [31]. Âûñîêàÿ
ëîêàëüíàÿ êîíöåíòðàöèÿ àòîìîâ àçîòà, ðåàëèçóþ-
ùàÿñÿ äàæå ïðè ñèëüíîì ðàçáàâëåíèè àçîòà òÿæåëû-
ìè èíåðòíûìè ãàçàìè, äåëàåò âîçìîæíûì ïðîÿâëå-
íèå èçâåñòíîãî ìåõàíèçìà òåðìîëþìèíåñöåíöèè [7]:
N + N � N2*; N2* + N � N2 + N* (2D), îòâåðãíóòîãî
íàìè ðàíåå ïî ïðè÷èíå ìàëîé âåðîÿòíîñòè «âñòðå-
÷è» òðåõ àòîìîâ N ïðè ñëó÷àéíîì ïðîñòðàíñòâåííîì
ðàñïðåäåëåíèè àòîìîâ ðàçëè÷íîãî òèïà. Ýòèì ìîæ-
íî îáúÿñíèòü ñâåðõäëèííûå âðåìåíà çåëåíîãî ïîñ-
ëåñâå÷åíèÿ êîíäåíñàòà, ñîäåðæàùåãî àòîìû àçîòà, â
æèäêîì ãåëèè è ýôôåêò îòæèãà [15].
Òàêèì îáðàçîì, íåñìîòðÿ íà íàëè÷èå ìîùíîé ãà-
çîâîé ñòðóè, íàïðàâëåííîé ê ïîâåðõíîñòè êîíäåíñè-
ðîâàííîãî ãåëèÿ, êîàãóëÿöèÿ ñîäåðæàùåéñÿ â íåé
ïðèìåñè ïðîèñõîäèò ïðàêòè÷åñêè èçîòåðìè÷åñêè,
íî â òî æå âðåìÿ, êàê ïîêàçûâàþò ýêñïåðèìåíòû,
ñêîðîñòü îõëàæäåíèÿ äîñòàòî÷íî âåëèêà, ÷òîáû ïðå-
äîòâðàòèòü ðåêîìáèíàöèþ çàõâà÷åííûõ â êîíäåíñàò
àòîìîâ äî èõ ïîïàäàíèÿ â æèäêèé ãåëèé. Ïðîâåäåí-
íûé àíàëèç ïîçâîëÿåò óòî÷íèòü, êàêîé, ñîáñòâåííî,
îáúåêò èçó÷àåòñÿ ïðè îïòè÷åñêîì, ÝÏÐ, ðåíòãåíî-
ãðàôè÷åñêîì è äð. äåòåêòèðîâàíèè êîíäåíñàòà, ïî-
ëó÷åííîãî â æèäêîì è òâåðäîì ãåëèè.  ýòîì êëþ÷å
ìîãóò áûòü çàíîâî èíòåðïðåòèðîâàíû ìíîãî÷èñëåí-
íûå äàííûå, íàêîïëåííûå çà äîëãèå ãîäû èññëåäî-
âàíèÿ êîíäåíñàöèè ïðèìåñåé â ñâåðõòåêó÷åì ãåëèè
è ïðèìåñü-ãåëèåâîé òâåðäîé ôàçû.
Îñîáîãî âíèìàíèÿ çàñëóæèâàåò âîïðîñ î ñóùåñò-
âîâàíèè ïðèìåñü-ãåëèåâîé òâåðäîé ôàçû â òîì ïî-
íèìàíèè, êàê ýòî ïîíÿòèå áûëî ââåäåíî [14]. Õîòÿ
ôèçè÷åñêèå ñîîáðàæåíèÿ î ìåòàñòàáèëüíîñòè ñòðóê-
òóðû, ñîñòîÿùåé èç ñìåðçøèõñÿ òâåðäûõ ãåëèåâûõ
êëàñòåðîâ, âîçíèêàþùèõ âîêðóã òÿæåëûõ ìèêðî-
ïðèìåñåé â ãåëèè, âïîëíå ðàçóìíû, ñòåïåíü ýòîé ìå-
òàñòàáèëüíîñòè íåÿñíà. Â òî æå âðåìÿ íè îäèí èç èç-
âåñòíûõ íàì ýêñïåðèìåíòîâ íå áûë ïîñòàâëåí òàêèì
îáðàçîì, ÷òîáû òàêàÿ ôàçà ìîãëà îáðàçîâàòüñÿ. Îá-
íàðóæåíèå ñëèïàíèÿ äâóõ ìîëåêóë SF6 âíóòðè õî-
ëîäíîé æèäêîé ãåëèåâîé êàïëè [32] íå äîáàâëÿåò
îïòèìèçìà. Îäíàêî ðàçâèòàÿ ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè
òåõíèêà ýêñïåðèìåíòà ïîçâîëÿåò ïðåäëîæèòü ñòðà-
òåãèþ ïîèñêà òàêîé ôàçû. Íàèáîëåå ïðîñòî èñïîëü-
çîâàòü ìåòîäèêó ââåäåíèÿ ïðèìåñè â òâåðäûé ãåëèé
[23,24], äîñòèãíóâ óñëîâèé ñòàáèëèçàöèè â íåì îò-
äåëüíûõ ìîëåêóë. Äëÿ ýòîãî ñëåäóåò ðàáîòàòü ñ
êîíöåíòðàöèÿìè ïðèìåñè, îáåñïå÷èâàþùèìè îòñóò-
ñòâèå ïàðíûõ ñîóäàðåíèé åå ìîëåêóë çà âðåìÿ
òðàíñïîðòà ñòðóè ê ïîâåðõíîñòè êîíäåíñèðîâàííîãî
ãåëèÿ è äàëåå âî âðåìÿ èõ äâèæåíèÿ ÷åðåç ïðîñëîé-
êó æèäêîãî ãåëèÿ ê ïîâåðõíîñòè êðèñòàëëà. Ïîñëå
ýòîãî íóæíî ðàñïëàâèòü ãåëèé ñíèæåíèåì äàâëåíèÿ,
ñêàæåì, íà 1 áàð, à çàòåì âíîâü ïîäíÿòü äàâëåíèå äî
íåîáõîäèìîãî äëÿ âòîðè÷íîãî çàòâåðäåâàíèÿ. Òè-
ïè÷íîå ýôôåêòèâíîå äàâëåíèå, äåéñòâóþùåå ñî ñòî-
ðîíû ïðèìåñè íà ïåðâóþ ãåëèåâóþ îáîëî÷êó, ñî-
ñòàâëÿåò ñîòíè áàð, â òî âðåìÿ êàê äëÿ âòîðîãî ñëîÿ
ãåëèåâûõ àòîìîâ ýòî äàâëåíèå ñîñòàâëÿåò óæå òîëü-
êî íåñêîëüêî áàð [27]. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî åñëè âíåø-
íåå äàâëåíèå áëèçêî ê äàâëåíèþ çàòâåðäåâàíèÿ ãå-
ëèÿ, òî íå îäèí, à äâà è áîëåå ñëîåâ âîêðóã ïðèìåñè
áóäóò íàõîäèòüñÿ â òâåðäîì ñîñòîÿíèè. Ïîëó÷åííàÿ
îïèñàííûì âûøå ñïîñîáîì ïðèìåñü-ãåëèåâàÿ òâåð-
äàÿ ôàçà äîëæíà îáëàäàòü ïîâûøåííîé ñòàáèëüíî-
ñòüþ ïî îòíîøåíèþ ê ïàðíîìó ñëèïàíèþ ïðèìåñíûõ
÷àñòèö, ïîñêîëüêó îíè ðàçäåëåíû â íåé áîëüøèìè
ðàññòîÿíèÿìè (÷åòûðå è áîëåå ñëîåâ ãåëèÿ). Äàííàÿ
ïðîöåäóðà áûëà èñïðîáîâàíà íàìè âî âðåìÿ âû-
ïîëíåíèÿ ðàáîòû [33]. Îñíîâíûå ñëîæíîñòè — âû-
áîð àäåêâàòíîé ìåòîäèêè ñëåæåíèÿ çà ñîñòîÿíèåì
ïðèìåñíûõ ìîëåêóë ñ ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ íå õóæå
1012 ìîëåêóë/ñì3 è î÷èñòêà ãåëèÿ âûñîêîãî äàâëå-
íèÿ äî 1 ppb (10–7 %) — â ïðèíöèïå, ðåøàåìû.
Ïðàâäà, â ðàáîòå [19] íà îñíîâàíèè ñðàâíåíèÿ
êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ïîïàäàþùåé â æèäêèé ãåëèé
÷àñòèöû ñ ðàáîòîé ïðîòèâ ñèë ïîâåðõíîñòíîãî íàòÿ-
æåíèÿ ïî ñîçäàíèþ ïóçûðüêà âíóòðè æèäêîñòè ñäå-
ëàí âûâîä î ïðàêòè÷åñêîé íåâîçìîæíîñòè êîíäåíñà-
öèè îòäåëüíûõ ìîëåêóë èç ñòðóè âíóòðü æèäêîñòè.
Îäíàêî ðàññìàòðèâàåìûå â [19] ìîëåêóëû è àòîìû
àçîòà, òàê æå êàê è áîëüøèíñòâî äðóãèõ ÷àñòèö, îá-
ðàçóþò âîêðóã ñåáÿ â æèäêîì ãåëèè ñòðóêòóðû ïðè-
òÿæåíèÿ — «ñíåæêè», â êîòîðûõ ïðèòÿæåíèå ãåëèå-
âîé îáîëî÷êè ê ïðèìåñè êîìïåíñèðóåòñÿ âçàèìíûì
îòòàëêèâàíèåì àòîìîâ Íå â îáîëî÷êå [27,28]. Íà òà-
êîé õàðàêòåð âçàèìîäåéñòâèÿ ñ îêðóæåíèåì ïðÿìî
óêàçûâàåò è âèä âû÷èñëåííîãî â [19] ïðîôèëÿ ïëîò-
íîñòè ãåëèÿ âîêðóã àòîìîâ N è êëàñòåðîâ ìîëåêó-
ëÿðíîãî àçîòà, äåìîíñòðèðóþùèé ñæàòèå ãåëèÿ âî-
êðóã ïðèìåñè. Ïîýòîìó äàæå â ðàìêàõ èñïîëüçóåìîãî
1016 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 10
Å.Á. Ãîðäîí
ãðóáîãî ïðèáëèæåíèÿ ïðè ñîêîíäåíñàöèè ãåëèÿ è
ïðèìåñè äîëæíî ïðîèñõîäèòü âûäåëåíèå, à íå ïî-
ãëîùåíèå ýíåðãèè; è â îòëè÷èå îò âûâîäà àâòîðîâ
[19] íå äîëæíî ñóùåñòâîâàòü íèêàêèõ îãðàíè÷åíèé
íà ñêîðîñòü ÷àñòèöû ïðè åå ïîãëîùåíèè âíóòðü
æèäêîñòè. Âîîáùå æå, ïðÿìûì îòâåòîì íà âîïðîñ
î ñóùåñòâîâàíèè ýíåðãåòè÷åñêèõ çàòðóäíåíèé ïðè
âõîäå ïðèìåñè â ñðåäó äàåò âåëè÷èíà õèìè÷åñêîãî
ïîòåíöèàëà ñîîòâåòñòâóþùåé ÷àñòèöû â ñðåäå —
äëÿ àòîìîâ àçîòà â æèäêîì ãåëèè, íàïðèìåð, îí íà
300 Ê íèæå, ÷åì â âàêóóìå [27].
Íèçêîòåìïåðàòóðíûå õèìè÷åñêèå ðåàêöèè â èçî-
ëèðîâàííûõ êëàñòåðàõ ðåàãåíòîâ â óñëîâèÿõ èõ
èíèöèèðîâàíèÿ çàõâà÷åííûìè â êëàñòåðû àêòèâíû-
ìè ÷àñòèöàìè îáëàäàþò ðÿäîì ïðèâëåêàòåëüíûõ
îñîáåííîñòåé [34]. Òîò ôàêò, ÷òî ïðè êîíäåíñàöèè
ñìåñåé, ñîäåðæàùèõ àòîìû, â æèäêèé è òâåðäûé ãå-
ëèé ýòè àòîìû ñòàáèëèçèðóþòñÿ íà ïîâåðõíîñòè
êëàñòåðîâ — çåðåí êîíäåíñàòà, — äåëàåò ýòó ñóá-
ñòàíöèþ åùå èíòåðåñíåå äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â õèìèè
íèçêèõ òåìïåðàòóð.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå Ðîññèéñêèì
ôîíäîì ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé, ãðàíò
¹ 04-03-32684.
1. Â.Í. Ãðèãîðüåâ, Á.Í. Åñåëüñîí, Â.À. Ìèõååâ,
ÆÝÒÔ 64, 608 (1973); òàì æå 66, 321 (1974); ÔÍÒ
1, 5 (1975).
2. J. Jortner, N.R. Kestner, M.H. Cohen, and S.A. Rice,
J. Chem. Phys. 43, 2614 (1965).
3. M.W. Cole and R.A. Bachman, Phys. Rev. B15, 1388
(1977).
4. H. Franco, R.E. Rapp, and H. Godfrin, Phys. Rev.
Lett. 57, 1161 (1986).
5. J.P. Toennies and A.F. Vilesov, Annu. Rev. Phys.
Chem. 49, 1 (1998).
6. S. Grebenev, J.P. Toennies, and A.F. Vilesov, Science
279, 2083 (1998).
7. A.M. Bass and H.P. Broida, Formation and Trapping
of Free Radicals, Academic Press, New York (1960).
8. P. Savich and A. Shalnikov, J. Phys. USSR 10, 299
(1946).
9. À.Ì. Êîêîòèí, Ë.Ï. Ìåæîâ-Äåãëèí, ÔÍÒ 28, 235
(2002).
10. Å.Á. Ãîðäîí, Ë.Ï. Ìåæîâ-Äåãëèí, Î.Ô. Ïóãà÷eâ,
Ïèñüìà â ÆÝÒÔ 19, 103 (1974).
11. E.B. Gordon, L.P. Mezhov-Deglin, O.F. Pugachev,
and V.V. Khmelenko, Chem. Phys. Lett. 54, 282
(1978).
12. V. Ghazarian, J. Eloranta, and V.A. Apkarian, Rev.
Sci. Instr. 73, 3606 (2002).
13. R.E. Boltnev, G. Frossati, E.B. Gordon, I.N.
Krushinskaya, E.A. Popov, and A. Usenko. J. Low
Temp. Phys. 127, 245 (2002).
14. E.B. Gordon, V.V. Khmelenko, A.A. Pelmenev, E.A.
Popov, and O.F. Pugachev, Chem. Phys. Lett. 155,
301 (1989).
15. E.B. Gordon, V.V. Khmelenko, A.A. Pelmenev, E.A.
Popov, O.F. Pugachev, and A.F. Shestakov, Chem.
Phys. 170, 411 (1993).
16. V. Kirykhin, B. Keimer, R.E. Boltnev, V.V. Khme-
lenko, and E.B. Gordon, Phys. Rev. Lett. 79, 1774
(1997).
17. V.V. Khmelenko, S.I. Kiselev, D.M. Lee, and Ñ.Y.
Lee, Physica Scripta 102, 118 (2002).
18. S.I. Kiselev, V.V. Khmelenko, and D.M. Lee, Fiz.
Nizk. Temp. 26, 641 (2000).
19. E.A. Popov, J. Eloranta, J. Ahokas, and H. Kunttu,
Fiz. Nizk. Temp. 29, 684 (2003).
20. A.E. Curzon and M.E. Estell, J. Phys. C: Solid
State Phys. 4, 689 (1971).
21. S.I. Kiselev, V.V. Khmelenko, D.M. Lee, V. Ki-
ryukhin, R.E. Boltnev, E.B. Gordon, and B. Keimer,
Phys. Rev. B65, 024517 (2002).
22. V. Kirykhin, B. Keimer, R.E. Boltnev, V.V. Khme-
lenko, and E.B. Gordon, unpublished results.
23. E.B. Gordon, A. Usenko, and G. Frossati, J. Low
Temp. Phys. 130, 15 (2003).
24. E.B. Gordon, G. Frossati, A. Usenko, Ya. Aratono,
and T. Kumada, Physica Â329–333, 404 (2003).
25. E.B. Gordon, T. Momose, and N. Nakashima, to be
published.
26. Å.Á. Ãîðäîí, Ë.Ï. Ìåæîâ-Äåãëèí, Î.Ô. Ïóãà÷eâ,
Â.Â. Õìåëåíêî, ÆÝÒÔ 73, 952 (1977).
27. Å.Á. Ãîðäîí, À.Ô. Øåñòàêîâ, ÔÍÒ 26, 5 (2000).
28. Å.Á. Ãîðäîí, À.Ô. Øåñòàêîâ, Õèìè÷åñêàÿ ôèçèêà,
21, 16 (2002).
29. R.E. Boltnev, E.B. Gordon, V.V. Khmelenko, A.A.
Pelmenev, M.V. Martynenko, E.A. Popov, and A.F.
Shestakov, J. Chem. Phys. 92, 362 (1995).
30. Å.Á. Ãîðäîí, À.À. Ïåëüìåíeâ, Î.Ô. Ïóãà÷eâ, Â.Â.
Õìåëåíêî, ÔHT 8, 691 (1982).
31. Å.Á. Ãîðäîí, À.À. Ïåëüìåíeâ, Î.Ô. Ïóãà÷eâ, Â.Â.
Õìåëåíêî, ÔHT 11, 563 (1985).
32. J. Harms, M. Hartmann, B. Sartakov, J.P. Toennies,
and A.F. Vilesov, J. Chem. Phys. 110, 5124 (1999).
33. E.B. Gordon, T. Kumada, M. Ishiguro, and Y. Arato-
no, submitted to J. Chem. Phys. (2004).
34. Å.Á. Ãîðäîí, Äîêëàäû PÀÍ 378, 650 (2001).
Impurity condensation in liquid and solid helium
E.B. Gordon
The x-ray diffraction and IR spectroscopy da-
ta show that the impurities of different volatility
become distinctly separated in space in the small
clusters formed in the cold part of the gas jet
when guest particles are introduced into liquid
and solid helium. In particular, on condensation
of partially dissociated diatomic molecules the
atoms concentrate mainly near and on the cluster
surface. Such segregation persists in the conden-
sate which appears as a porous structure con-
sisting of clusters coagulated in liquid helium; in
Êîíäåíñàöèÿ ïðèìåñåé â æèäêîì è òâåðäîì ãåëèè
Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 10 1017
solid helium the clusters are isolated from each
other. The high local atomic density in the
surface layer, bordering on the condensed he-
lium, explains numerous features in the conden-
sate behavior observed earlier by methods of op-
tical and ESR spectroscopy and thermometry.
The strategy of the experiment aimed at the de-
tection of the solid impurity-helium phase has
been formulated.
1018 Ôèçèêà íèçêèõ òåìïåðàòóð, 2004, ò. 30, ¹ 10
Å.Á. Ãîðäîí
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-119856 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0132-6414 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:17:43Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гордон, Е.Б. 2017-06-10T07:36:32Z 2017-06-10T07:36:32Z 2004 Конденсация примесей в жидком и твердом гелии / Е.Б. Гордон // Физика низких температур. — 2004. — Т. 30, № 10. — С. 1009–1018. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 36.40.Mr, 67.40.Yv, 67.80.Mg https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/119856 На основании анализа рентгеноструктурных и ИК-спектроскопических наблюдений показано, что при введении примесных частиц в жидкий и твердый гелий в холодной части газовой струи образуются кластеры с ярко выраженным пространственным разделением примесей c различной летучестью. В частности, при конденсации частично атомизированных двухатомных молекул атомы концентрируются с высокой плотностью вблизи и на поверхности кластеров. Такая сегрегация сохраняется и в конденсате, представляющем собой в жидком гелии слипшиеся в пористую структуру кластеры; в твердом гелии кластеры изолированы друг от друга. Наличие высоких концентраций атомов в поверхностном слое, на границе с конденсированным гелием, объясняет специфическое поведение конденсата, наблюдаемое методами оптической спектроскопии, ЭПР и термометрии. Сформулирована стратегия эксперимента по обнаружению образования примесь-гелиевой твердой фазы. На підставі аналізу рентгеноструктурних та ІЧ-спектроскопічних спостережень показано, що при введенні домішкових частинок у рідкий та твердий гелій в холодній частині газового струменя утворюються кластери з яскраво вираженим просторовим розподілом домішок з різною леткістю. Зокрема, при конденсації частково атомізованих двоатомних молекул атоми концентруються з високою щільністю поблизу і на поверхні кластерів. Така сегрегація збер ігається й у конденсаті, який являє собою в рідкому гелії злиплі в пористу структуру кластери; у твердому гелії кластери ізольовані один від одного. Наявність високих концентрацій атомів в поверхневому шарі, на межі з конденсованим гелієм, пояснює специфічну поведінку конденсату, що спостерігається методами оптичної спектроскопії, ЕПР та термометрії. Сформульовано стратегію експерименту по виявленню утворення домішка-гелійової твердої фази. The x-ray diffraction and IR spectroscopy data show that the impurities of different volatility become distinctly separated in space in the small clusters formed in the cold part of the gas jet when guest particles are introduced into liquid and solid helium. In particular, on condensation of partially dissociated diatomic molecules the atoms concentrate mainly near and on the cluster surface. Such segregation persists in the condensate which appears as a porous structure consisting of clusters coagulated in liquid helium; in solid helium the clusters are isolated from each other. The high local atomic density in the surface layer, bordering on the condensed helium, explains numerous features in the condensate behavior observed earlier by methods of optical and ESR spectroscopy and thermometry. The strategy of the experiment aimed at the detection of the solid impurity-helium phase has been formulated. Работа выполнена при поддержке Российским фондом фундаментальных исследований, грант № 04-03-32684. ru Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України Физика низких температур Квантовые жидкости и квантовые кpисталлы Конденсация примесей в жидком и твердом гелии Impurity condensation in liquid and solid helium Article published earlier |
| spellingShingle | Конденсация примесей в жидком и твердом гелии Гордон, Е.Б. Квантовые жидкости и квантовые кpисталлы |
| title | Конденсация примесей в жидком и твердом гелии |
| title_alt | Impurity condensation in liquid and solid helium |
| title_full | Конденсация примесей в жидком и твердом гелии |
| title_fullStr | Конденсация примесей в жидком и твердом гелии |
| title_full_unstemmed | Конденсация примесей в жидком и твердом гелии |
| title_short | Конденсация примесей в жидком и твердом гелии |
| title_sort | конденсация примесей в жидком и твердом гелии |
| topic | Квантовые жидкости и квантовые кpисталлы |
| topic_facet | Квантовые жидкости и квантовые кpисталлы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/119856 |
| work_keys_str_mv | AT gordoneb kondensaciâprimeseivžidkomitverdomgelii AT gordoneb impuritycondensationinliquidandsolidhelium |