после каждого измерения в реперной точке затвердевания металла. Предполагается, что сопротивление в тройной точке воды в этом случае соответствует тому же физическому состоянию платины, которое было при градуировке в реперной точке металла. Например, если платина окислилась во время измерения в точке олова, то значение Я(0,01), измеренное после, будет соответствовать окисленному состоянию проволоки, и относительное сопротивление 1М(7р) не изменится. Однако, если физическое состояние платины изменилось не во время выдержки при температуре затвердевания металла, а во время охлаждения или нагрева, например, под влиянием формирования остаточной деформации и напряжений в платине, то расчет М(Тр) логично проводить, используя среднее арифметическое значение Яср(0,01), найденное по результатам Я(0,01) до и после измерений в точке затвердевания металла. Таким образом, исследование возможных процессов в платине при градуировке эталонного термометра связано с разработкой оптимальной методики градуировки термометра типа ЭТС и обработки результатов измерений. Продолжением данной работы должно стать обобщение большого массива накопленных данных калибровок эталонных платиновых термометров различных типов и анализ неопределенности результирующих индивидуальных функций, полученных на основе различных методов расчета относительных сопротивлений М(Тр). Данный вывод важен для разработки новых конструкций термометров и методики их калибровки.
Л и т е р а т у р а
1. Berry R. J. Effect of Pt Oxidation on Pt Resistance Thermometry // Metrologia. 1980. V. 16. P. 117—126.
2. Zhao M., Li X., Chen D. Experimental study of different filling gases on the stability of metal-sheathed SPRTs in Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry / Ed. D. C. Ripple e. a. // AIP Conf. Proc., Melville, N.Y., 2003. V. 7. P. 339—344.
3. Ancsin J. Oxidation of Platinum Resistance Thermometers in Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry / Ed. D. C. Ripple e. a. // AIP Conf. Proc. Melville, N. Y., 2003. V. 7. P. 345—349.
4. Sakurai H., Tamura O. Oxidization Characteristics of Standard Platinum Resistance Thermometers // Jpn. J. Appl. Phys. 2011. V. 50. P. 036601. D0I:10.1143/JJAP.50.036601.
5. Trumic B., Stankovie D., Ivanovic A. The impact of cold deformation, annealing temperatures and chemical assays on the mechanical properties of platinum // J. Min. Metall. Sect. B-Metall. 2010. V. 46(1) B. P. 51—57.
6. Berry R. J. Thermal Strain Effects in Standard Platinum Resistance Thermometers // Metrologia. 1983. V. 19. P. 37—47.
7. ГОСТ P 8.571—98. ГСИ. Термометры сопротивления платиновые эталонные 1-го и 2-го разрядов. Методика поверки.
Дата принятия 16.09.2014 г.
53.06 53.083 53.086
Диэлектрические и магнитные адсорберы в адиабатических калориметрах для измерения
сверхмалых энерговыделений
Л. Н. ЖЕРИХИНА1, Г. Н. ИЗМАЙЛОВ2, А. М. ЦХОВРЕБОВ1
1 Физический институт РАН им. П. Л. Лебедева, Москва, Россия 2 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Москва, Россия, e-mail: gizmailov@mai.ru
Показано, что в сегнетоэлектриках возможна последовательность процессов, аналогичных происходящим при охлаждении насыщенного парамагнетика в условиях адиабатической деполяризации и его переходу в ферромагнетик. Рассмотрены предпосылки создания диэлектрического калориметра со сверхчувствительностью 0,04 эВ/Гц1'2.
Ключевые слова: магнитный калориметр, адиабатическое размагничивание, парамагнетик, сегнетоэлек-трик, малое энерговыделение.
It is shown that in ferroelectrics a special sequence of processes is possible. The sequence is similar to the cycle corresponding to the cooling process in conditions of adiabatic depolarization of saturated paramagnetic and its transition to ferromagnetic. The possibility to create a dielectric ultrahigh sensitivity calorimeter with sensitivity by energy release 0,04 eV/Hz1'2 is considered.
Key words: magnetic calorimeter, adiabatic demagnetization, paramagnetic, ferroelectric, small energy release.
Разработка методов измерений сверхмалых выделений энергии 8Е — весьма актуальное направление в общефизическом, техническом и метрологическом отношениях. Общефизическая значимость регистрации 8Е наиболее ярко иллюстрируется возможностью решения фундаментальной
проблемы поиска элементарных частиц, частиц Темной Материи [1] и других слабовзаимодействующих с веществом частиц как массивных (WIMP), так и безмассовых (кванты излучения с ультрамалым сечением взаимодействия [2]). В технике регистрация и измерение сверхмалых энерговыделе-
ний актуальны при разработке методов специальной связи [2, 3], дальней локации космических объектов [4, 5], а также при решении ряда других задач прикладного характера. В метрологическом отношении повышение точности измерения 8Е позволит поднять разрешающую способность одно-квантовых рентгеновских спектрометров, применяемых в качестве анализаторов состава микропроб [6], бесконтактного контроля состояния ядерных объектов и др.
В [7—10] обосновано действие системы сквид—парамагнитный адсорбер (СПА) в качестве сверхвысокочувствительного детектора излучения в условиях, когда эта микрокалориметрическая система приводится в рабочее состояние в цикле адиабатического размагничивания. Сверхмалое энерговыделение 8Е, например, вследствие взаимодействия элементарной частицы с веществом обеспечивает прирост энтропии 8S = 8Е/Т~-В8М/Т, что приводит к уменьшению магнитного момента адсорбера. (Здесь Т — абсолютная температура; М — намагниченность) [11]. Минимальное эффективное значение индукции В, достигаемое при охлаждении с адиабатическим размагничиванием, оказывается близким к остаточной индукции Вт1п = Вост ф 0. Для цилиндрического парамагнитного адсорбера высотой I уменьшение 8М в его поперечном сечении вызывает изменение магнитного потока 8Ф = ц08М//, где ц0 = 4п10-7 Гн/м — магнитная проницаемость вакуума. В итоге, изменение потока, регистрируемое сквидом, составит [7—10]:
8Ф « -Ц08Е/(/6ост).
(1)
Предполагаемая оценка энергетического разрешения такой системы, включающей сквид с чувствительностью |8Ф| = 5-10-6 Ф0 Гц-1/2 = 10-20 Вб/Гц1/2 [12, 13] и парамагнетик с Вост = 0,01 Тл, при I ~ 1 мм составит |8E| = 1 эВ/Гц1/2, где Ф0 = nfi/e = 2,07-10-15 Вб — квант магнитного потока, являющийся фундаментальной единицей магнитных измерений с помощью сквида.
Однако система СПА может регистрировать малые энерговыделения и при ненулевой фиксированной индукции внешнего поля В = const > Вост [14, 15], когда вместо адиабатического размагничивания система приводится в рабочее состояние принудительным внешним охлаждением (откачкой паров 3He, рефрежиратором растворения 3He/4He [14]). И адиабатическое размагничивание, и внешнее охлаждение при работе в фиксированном спинополяризующем поле требуют снижения всех немагнитных составляющих теплоемкости фотонов Сф ~ T3, электронов сэл ~ T в соответствии с третьим началом термодинамики, в то время как при T > TK, где TK — температура Кюри, магнитная составляющая см ~ T2 оказывается вне рамок этого начала. Действие системы СПА в условиях адиабатического размагничивания и ненулевого внешнего подмагничивания имеет две общие характерные особенности:
1) при см >> Сф, сэл увеличение массы m (или объема V) парамагнитного адсорбера не приводит к снижению энергетической чувствительности системы, так как параллельно росту теплоемкости см ~ m пропорционально растет магнитный момент, а следовательно, и отклик по регистрируемому потоку 8Ф ~ m (имеется ввиду, что в условиях внешнего под-магничивания 8Ф/8Е = 8Ф/(см8T); аналогичные явления происходят при адиабатическом размагничивании);
2) с размагничиванием и подмагничиванием чувствительность |8Ф/8Е| = ц0/(1В) ограничивается характерной индук-
цией В, установившейся в парамагнетике по окончании цикла размагничивания В = Вост, либо специально установленной в режиме подмагничивания.
Первая особенность позволяет наращивать в подобных магнитных системах массу адсорбера без снижения их энергетического разрешения, что чрезвычайно важно в экспериментах с регистрацией слабовзаимодействующих элементарных частиц, когда для повышения общего сечения взаимодействия требуется максимально увеличить размеры поглотителя. Если это обстоятельство в отношении конструирования подобных систем оказывается бесспорно позитивным (в противоположность системам немагнитный адсорбер-термосопротивление), то вторая особенность накладывает трудно преодолимое ограничение на их предельную чувствительность. Так, с целью снижения остаточного поля примерно на порядок электронный парамагнетик приходится заменять ядерным [11]. Однако ниже предлагается другой подход к проблеме преодоления указанного ограничения предельной чувствительности магнитных детекторов, фактически основанный на разных скоростях падения магнитного отклика и теплоемкости. При этом первая заметно отстает от второй, как будет показано, по мере приближения магнитной системы к насыщению, вследствие чего предельная чувствительность перестает зависеть от конечного значения индукции по закону вида В-1.
Рассмотрим предельные параметры магнитного калориметра при переходе от парамагнетика к ферромагнитному адсорберу. Сопоставим восприимчивость при Т > Тк в рамках теории Гизбурга—Ландау (хГ-Л) с моделью ланжевеновс-кого парамагнетизма %Л, что позволяет получить значение первого коэффициента разложения свободной энергии F по параметру порядка (магнитному моменту М):
F = F
:0 + a(T- TK)M2 + bM4; a=(2а) 1 = к/(2Мц|);
е^о k (T -Tk )'
х |Т>Т )= 1 ■ х = а = дМ Хг-Л(Т>Тк)= 2a(T>TK); Xl = T-TK = Ж
'к
откуда в ферромагнитном состоянии системы энтропия и ее приращение соответственно
S=-fт =S°"
^ M 2
и
8S=—^M8M=—8Ф'
где F0 — свободная энергия в точке фазового перехода; а, Ь — коэффициенты разложения свободной энергии по Гинзбургу — Ландау; к — постоянная Больцмана; цБ — магнетон Бора; S0 — начальная энтропия.
В итоге магнитный отклик на энерговыделение, фиксируемый сквидом, составит 8Ф = ц6ц08Е/(1кТ). Сравнение с аналогичной формулой (1) для парамагне
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.