Фазовое расслоение и диффузионные процессы в концентрированных твердых растворах ³Не-⁴Не

Abstract

Методом прецизионной барометрии проведено экспериментальное исследование кинетики фазового расслоения в квантовых кристаллах концентрированных растворов ³Не-⁴Не, содержащих 34,0, 61,3 и 89,9% ³Не. Регистрировалось изменение давления системы Р(Т) при ее ступенчатом охлаждении и нагреве. Наблюдаемая в эксперименте зависимость Р(Т) сопоставлялась с теорией, основанной на диффузионном описании кинетики изотопического фазового расслоения. Это позволило впервые получить сведения о коэффициенте массовой диффузии во всем диапазоне концентраций. Показано, что в концентрированных растворах коэффициент массовой диффузии на несколько порядков ниже, чем в слабых растворах, вследствие взаимодействия примесей и наличия упругих напряжений в кристалле. В то же время из-за высокой концентрации зародышей новой фазы и малой диффузионной длины процесс фазового перехода происходит за сравнительно короткое время.

Методом прецизійної барометрії проведено експериментальне дослідження кінетики фазового розшарування у квантових кристалах концентрованих розчинів ³Не-⁴Не, які містять 34,0, 61,3 та 89,9% ³Не. Реєструвалась зміна тиску системи P(T) при її ступінчатому охолодженні та нагріві. Залежність Р(Т), що спостерігалась в експерименті, порівнювалась з теорією, яка заснована на дифузійному описі кінетики ізотопічного фазового розшарування. Це дозволило вперше отримати дані про коефіцієнт масової дифузії у всьому діапазоні концентрацій. Показано, що в концентрованих розчинах коефіцієнт масової дифузії на кілька порядків нижче, ніж у слабких розчинах, внаслідок взаємодії домішок та наявності пружних напружень у кристалі. В той же час через високу концентрацію зародків нової фази та малої дифузійної довжини процес фазового переходу відбувається за порівняно малий час.

High-precision pressure measurements of phase separation kinetics were carried out on quantum crystals of concentrated ³Не-⁴Не mixtures with 34.0%, 61.3% and 89.9% content of ³Не. The pressure was measured under step-like cooling and heating of the samples. The experimental dependence P(T) observed was compared with the theory based on the diffusion description of kinetic phase separation. That made it possible, for the first time, to obtain information on mass diffusion in the whole concentration range. It is shown that the coefficient of mass diffusion in concentrated mixtures is several orders of magnitude less than that in dilute ones, as a result of interaction between impurities and elastic tension in crystal. At the same time, the phase transition occurs for a relatively short time, because of a high nucleus concentration of a new phase and a small diffusion length.