Релаксация температуры и концентрации в сверхтекучих растворах ³Не–⁴Не. Эффективная теплопроводность

Abstract

В интервале температур 100–500 мК проведены исследования релаксации температуры и концентрации сверхтекучего раствора ³He–⁴He с исходной молярной концентрацией 9,8% 3Не при различных величинах теплового потока. Показано, что кинетика изменения температуры жидкости может быть аппроксимирована экспоненциальной функцией, а полученные постоянные времени слабо зависят от температуры. Процессы релаксации концентрации аналогичны процессам релаксации температуры лишь в области однофазного раствора, а ниже температуры расслоения изменение концентрации со временем носит немонотонный характер и может быть описано суперпозицией двух экспоненциальных функций. Такое кинетическое поведение раствора объясняется в рамках простой модели, иллюстрирующей распределение концентрации по высоте ячейки в разные моменты времени после включения теплового потока. В этом случае релаксация концентрации разбавленной фазы состоит из двух процессов — роста концентрации за счет участия ³He в нормальном движении и уменьшения концентрации вследствие образования и роста концентрированной фазы. Полученные данные о временах релаксации используются для определения эффективной теплопроводности раствора, которая согласуется с расчетом в рамках кинетической теории фонон-примесной системы сверхтекучих растворов.

В інтервалі температур 100–500 мК проведено дослідження релаксації температури і концентрац ії надплинного розчину ³He–⁴He з вихідною молярною концентрацією 9,8% 3Не при різних величинах теплового потоку. Показано, що кінетика зміни температури рідини може бути апроксимована експоненціальною функцією, а отримані постійні часу слабко залежать від температури. Процеси релаксації концентрації аналогічні процесам релаксації температури лише в області однофазного розчину, а нижче температури розшарування зміна концентрації згодом носить немонотонний характер і може бути описана суперпозицією двох експоненц іальних функцій. Таке кінетичне поводження розчину пояснюється у рамках простої модел і, що ілюструє розподіл концентрації по висоті комірки в різні моменти часу після включення теплового потоку. У цьому випадку релаксація концентрації розбавленої фази склада ється з двох процесів — росту концентрації за рахунок участі ³He в нормальному русі і зменшення концентрації внаслідок утворення і росту концентрованої фази. Отримані дані про часи релаксації використовуються для визначення ефективної теплопровідності розчину, що погоджу ється з розрахунком у рамках кінетичної теорії фонон-домішкової системи надплинних розчинів.

The relaxation of temperature and concentration is investigated in superfluid ³He–⁴He mixtures with initial molar concentration 9.8% 3Не at various thermal flows in the temperature range 100–500 mK. It is shown that the kinetics of temperature change in the liquid can be described by an exponential function and the time constants obtained have a weak temperature dependence. The relaxation of concentration is similar to that of temperature only in the single-phase mixture. Below the separation temperature, the change of concentration with time is non-monotonous and can be described by a superposition of two exponential functions. This kinetic behavior of the mixture is explained in the framework of the simple model for distribution of concentration as a function of cell height at different instants of time after switching on the thermal flow. It is shown that the relaxation of concentration in the diluted phase consists of two processes: the growth of concentration due to the involvement of the impuritons ³He in the normal motion and the decrease of concentration due to the formation and growth of the concentrated phase. The time relaxation data obtained are used to estimate the effective thermal conductivity of the mixture. The data are in reasonable agreement with the results of the phonon-impuriton theory of superfluid mixtures.