Введение к работе
Актуальность темы. 2008-ой год одновременно совпал со столетием получения жидкой фазы гелия Камерлинг-Онессом и семидесятилетием открытия явления сверхтекучести Петром Капицей [1]. Сверхтекучий гелий оказался уникальным физическим объектом, где в макроскопическом масштабе реализуются многие квантовые эффекты, существование которых впервые было предсказано в знаменитой'теории Ландау [2], согласно которой сверхтекучий гелий, или Не-Н, является двухкомпонентной жидкостью, и в нем одновременно могут распространяться два вида звуковых волн - колебания давления и температуры, которые обычно называют первым и вторым звуками. Несмотря на то, что исследованию широкого спектра физических свойств Не-И посвящены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования (например, [3-8]), которыми занимаются во многих лабораториях развитых стран, тем не менее поток публикаций, посвященных проблеме жидкого гелия не уменьшается. На наш взгляд, это обусловлено высокой чувствительностью термодинамических и кинетических характеристик этой среды к изменениям температуры, обусловленных особенностями кинетики различных видов взаимодействий фононов и ротонов [9-12]. Поэтому необходимо выполнение прецизионных измерений целого ряда величин, в первую очередь, кинетических коэффициентов, времени релаксации (восстановления равновесия элементарных возбуж^ дений) и сопротивления Капицы. Между тем, методы лазерной оптоакустической (ОА-) спектроскопии конденсированных сред [13-16] являются весьма эффективными и обладают целым рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами исследования физических свойств веществ. Это, прежде всего, бесконтактность самого метода, его насыщенность информацией об акустических, оптических и теплофизических свойствах среды и достаточно высокая точность. Благодаря подчеркнутым характеристикам эти методы получили широкое применение в химии, биологии, медицине, а также в различных областях производства. Однако, теории генерации ОА-сигнадов первого и второго звуков в Не-И [17-19] не охватывают все аспекты этой проблемы и, по-видимому, по этой причине оказались не реализованными широкие возможности ОЛ- методов для экспериментального исследования свойств этой системы. В этой связи создание теории лазерной
,ОА- спектроскопии сверхтекучего гелия бесспорно является актуальным.
Целью работы является создание теории лазерной оптоакустической спектроскопии сверхтекучего гелия и включает в себя следующие задачи:
1) определение спектра передаточных функций (ПФ) первого
и второго звуков для двух возможных случаев (твердой и мягкой
границ) и анализ возможности определения сопротивления Капицы
из результатов измерения этой функции;
2) исследование особенностей временного профиля ОА-
сигналов в отмеченных выше случаях и ее зависимости от
длительности импульса падающего луча;
создание теории фотоакустического (ФА) эффекта генерации звуковой волны сверхтекучим гелием в буферный газ и анализ ее характеристик для существенно различных случаев, реализующихся в эксперименте;
построение теории генерации ОА- сигнала в Не-П импульсом лазерного излучения;
5) исследование влияния диссипации акустических волн на
параметры ОА- сигналов при всевозможных случаях падающего
луча (непрерывная, модулированная и импульсная).
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
получены и подробно исследованы ПФ ОА- сигналов первого и второго звуков в сверхтекучем гелии, генерируемые импульсом лазерного луча для двух возможных случаев.
подробно исследованы особенности формирования двухконтурного состава временного профиля О А- сигналов в зависимости, как от параметров падающего луча, так и от параметров самой среды и контактирующей среды;
3) предложена теория ФА- эффекта в сверхтекучем гелии, то
есть получены необходимые выражения для акустического коле
бания давления в буферном газе и изучены частотное поведение
амплитуды и фазы этого сигнала для различных случаев,
реализуемых в эксперименте;
- определено температурное поле в ФА- камере на случай, когда подложка является тепловым изолятором;
4) построена теория генерации ОА- сигнала в области слабого
поглощения Fte-II импульсом лазерного излучения;
-исследовано влияние диссипации акустических волн на характеристики ОА-сигналов.
Практическая ценность. Предложенные теории лазерной ОА- спектроскопии сверхтекучего гелия могут служить основанием для постановки соответствующих экспериментов, позволяющих бесконтактным способом определять акустические и теплофизические параметры самого Не-Н, величину сопротивления Капицы, а также основные характеристики оптического спектра этой системы во всем оптическом диапазоне излучения. Экспериментальная реализация предложенных теорий генерации' ФА- сигнала в буферный газ также насыщена физическими информациями как о характеристике самого сверхтекучего гелия, так и подложки и паров гелия.
Положения, выносимые на защиту:
- полученные выражения для ПФ ОА- сигналов первого и второго
звуков для случая, когда Не-И контактирует со своим собственным
паром или изотропным твердым телом, а также результаты ''-
численных расчетов; . ;.
полученные выражения, описывающие пространственно-временное поведение акустических колебаний давления и температуры, включая их двухконтурный состав, а также результаты численного расчета;
полученные выражения для температурного поля в ФА-камере при выполнении ФА-измерения со сверхтекучим гелием;
выражения для акустического колебания давления-ФА-сигнала, анализ частотной зависимости ее амплитуды и фазы, а также результаты численных расчетов этих параметров для некоторых конкретных случаев;
результаты исследования особенностей генерации ОА-сигналов первого и второго звуков импульсом лазерного излучения; ;
- результаты исследования влияния диссипации на характе
ристики ОА- сигналов первого и второго звуков.
Апробация работы: Основные результаты исследований по теме диссертации были представлены и доложены на: 13-15lhs Internationa! conferences of photoacoustic and photothermal phenomena ((ICPPP) (Rio, Brazil, 2004; Cairo, Egypt, January, 2007; Leuven, Belgium, 19-23 July, 2009), 4lh International conference «Physics of liquid matter: modern problems», Kiev 2008; международной
конференции «Оптические методы исследования потоков» (ОМИП-2009), МЭУ (Технический университет), 2009; международной конференции по «Физике конденсированного состояния и экологических систем», Душанбе 2004, 2006 г.г.; международной конференции «Современные проблемы физики» (посвященной 100-летию академика Умарова), 24-25 октябрь 2008 Душанбе АН РТ; научно-теоретической конференции «Проблемы физики конденсированных сред» (посвященной 80-летию академика Адхамова А. А.), ТНУ, Душанбе, 2008; ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТГНУ, Душанбе 2005-2010 г.г..
Работа выполнена в соответствии с планом НИР, проводимых на физическом факультете ТНУ и зарегистрированных в Министерстве образования Республики Таджикистан за номером Государственной регистрации 01.07. ТД 668.
Личный вклад соискателя. Все представленные в диссертации результаты получены при непосредственном участии автора. Автором получены аналитические выражения для ПФ ОА-сигналов первого и второго звуков в сверхтекучем гелии, ФА-оигнала Не-11 в буферный газ, температурного поле в ФА- камере, а также определено влияние диссипации на параметры ОА- сигналов в Не-П.
Публикации. По результатам работы опубликовано 10 статей и 7 тезисов докладов, в том числе 10- в рецензируемых журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 135 страницах, включая 35 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 120 наименований.