Концентрационная зависимость коэффициента диффузии в распадающихся слабых твердых растворах ⁴Не в ³Не

Abstract

Изучена кинетика процесса расслоения слабых твердых растворов ⁴Не в ³Не в интервале температур 100-200 мК, концентраций ⁴Не х = 2,2-3,3% и давлений 32-35 бар. Обнаружено, что характерное время установления равновесного состояния τ при распаде раствора существенно зависит от степени переохлаждения. При переохлаждении раствора более чем на 40-50 мК относительно температуры расслоения исходного раствора величина τ < 103 c и практически не изменяется при дальнейшем уменьшении температуры. При малых переохлаждениях значения τ достигают 4×10⁴ с и заметно уменьшаются при дальнейшем понижении температуры. Установлена связь между измеренными значениями t и эффективным коэффициентом массовой диффузии с помощью решения диффузионной задачи с учетом поверхностного сопротивления, возникающего при переходе примесных атомов ⁴Не из раствора во включение новой фазы. Показано, что адекватное описание экспериментальных данных в рамках кинетической теории туннельного переноса примесей в условиях их существенного взаимодействия друг с другом может быть получено в предположении, что коэффициент диффузии ⁴Не в ³Не пропорционален х⁻⁴/³. При этом была определена концентрация зародышей и средний размер области, приходящийся на один зародыш. Анализ результатов эксперимента по кинетике образования зародышей при фазовом расслоении показал, что они могут быть объяснены теорией гомогенной нуклеации. Полученные при этом значения коэффициента межфазного поверхностного натяжения согласуются с имеющимися данными. Впервые оценено время релаксации, обусловленное конечным сопротивлением при проникновении примеси через границу матрица- включение новой фазы.

The kinetics of the separation of dilute solid mixtures of ⁴He in ³He is investigated in the ranges of temperature 100–200 mK, ⁴He concentration x=2.2–3.3%, and pressure 32–35 bar. It is found that the characteristic time τ required for the separating mixture to come to equilibrium depends substantially on the degree of supercooling. When the mixture is supercooled by more than 40–50 mK relative to the separation temperature of the initial mixture, the characteristic time τ<10³ s and remains practically unchanged as the temperature is lowered further. At low supercoolings the values of τ reach 4×10⁴ s and decrease noticeably with further decrease in temperature. A relation between the measured values of τ and the effective coefficient of mass diffusion is established using the solution of the diffusion problem with allowance for the surface resistance arising when the ⁴He impurity atoms leave the solution and enter new-phase inclusions. It is shown that an adequate description of the experimental data in the framework of the kinetic theory of tunneling transport of impurities under conditions of an appreciable interaction between them can be obtained under the assumption that the diffusion coefficient of ⁴He in ³He is proportional to x⁻⁴/³. The concentration of nuclei and the average size of the region associated to each nucleus are determined. Analysis of the experimental results on the kinetics of nucleation in phase separation shows that they can be explained by the theory of homogeneous nucleation. The values thus obtained for the coefficient of interphase surface tension agree with the existing data. The relaxation time due to the finite resistance to the penetration of an impurity through the boundary between the matrix and new-phase inclusion is determined for the first time.