Механизмы диссипации колеблющегося кварцевого камертона в Не II при повышенных давлениях

Abstract

Проведены экспериментальные исследования диссипативных процессов, возникающих при погружении колеблющегося камертона в сверхтекучий гелий. Измерена ширина резонанса Δf камертонов с частотами 32–97 кГц в области температур 0,2–2,5 К при давлении Не II до 24,9 атм. Часть исследованных камертонов были в заводском корпусе (закрытый камертон), а в некоторых был либо полностью, либо частично удален заводской корпус (открытый камертон). Обнаружено, что для открытых камертонов на температурной зависимости Δf четко проявляются два механизма диссипации — акустическое излучение и баллистическое рассеяние тепловых возбуждений при низких температурах или вязкое трение при высоких температурах. В низкотемпературной области (ниже ~0,8 К) доминирует акустическая диссипация, которая может быть описана в рамках модели камертона как квадрупольного излучателя. Установлено, что для закрытых камертонов акустическое излучение является менее эффективным и проявляется при более низких температурах. Впервые получены экспериментальные данные о диссипативных процессах в системе камертон–Не II при повышенных давлениях жидкости. Показано, что для высокочастотных камертонов ширина резонанса уменьшается с ростом давления в меру роста длины волны звука λ по закону λ⁻⁵. При низких частотах и низких температурах с ростом длины свободного пробега тепловых возбуждений ширина резонанса хорошо описывается с помощью модели баллистического рассеяния.

Проведено експериментальні дослідження дисипативних процесів, що виникають при зануренні коливного камертона в надплинний гелій. Виміряно ширину резонансу Δf камертонів з частотами 32–97 кГц в області температур 0,2–2,5 К при тиску Не II до 24,9 атм. Частина досліджених камертонів була в заводському корпусі (закритий камертон), а в деяких був або повністю, або частково видалений заводський корпус (відкритий камертон). Виявлено, що для відкритих камертонів на температурній залежності Δf чітко проявляються два механізми дисипації — акустичне випромінювання і балістичне розсіювання теплових збуджень при низьких температурах або в'язке тертя при високих температурах. В низькотемпературній області (нижче ~ 0,8 К) домінує акустична дисипація, яка може бути описана в рамках моделі камертона як квадрупольного випромінювача. Встановлено, що для закритих камертонів акустичне випромінювання є менш ефективним і проявляється при більш низьких температурах. Вперше отримано експериментальні дані про дисипативні процеси в системі камертон–Не II при підвищених тисках рідини. Показано, що для високочастотних камертонів ширина резонансу зменшується з ростом тиску в міру зростання довжини хвилі звуку λ по закону λ⁻⁵. При низьких частотах і низьких температурах з ростом довжини вільного пробігу теплових збуджень ширина резонансу добре описується за допомогою моделі балістичного розсіювання.

The dissipative processes that occur with immersing a vibrating tuning fork in superfluid helium are investigated. The width Δf of of tuning forks resonance of frequencies from 32 to 97 kHz was measured in the temperature range from 0.2 to 2.5 K and pressure of He II from SVP to 24.9 atm. Part of the tuning forks was in original can (closed tuning fork) and for some forks the can was either completely or partially removed (opened fork). It is found that, for open tuning forks are clearly revealed in the temperature dependence of Δf two mechanisms of dissipation, namely, acoustic radiation and scattering of ballistic thermal excitations at low temperatures and viscous friction at high temperatures. At low temperature (below ~ 0.8 K) the acoustic dissipation dominates and the model of quadrupole oscillator for tuning fork can be applied. It is found that acoustic radiation for closed tuning forks is less effective and appears at lower temperature. The first experimental data on dissipative processes in the system quartz tuning fork–He II at high pressure in liquid are obtained. It is shown that, for high frequency tuning forks, the resonance width decreases with increasing pressure, i.e., with increasing wavelength of sound λ in the law λ⁻⁵. At low frequencies and low temperature, with increasing the mean free path of thermal excitations, the resonance width is well described by the model of ballistic scattering.