haku: @keyword supraneste / yhteensä: 4
viite: 4 / 4
« edellinen | seuraava »
| Tekijä: | Pentti, Elias |
| Työn nimi: | Thermal Modeling of an Experiment on Dilute 3He-4He Mixtures at Ultralow Temperatures |
| Laimeilla 3He-4He -seoksilla ultramatalissa lämpötiloissa tehdyn kokeen terminen mallintaminen | |
| Julkaisutyyppi: | Diplomityö |
| Julkaisuvuosi: | 2003 |
| Sivut: | 90 Kieli: eng |
| Koulu/Laitos/Osasto: | Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto |
| Oppiaine: | Fysiikka (Tfy-3) |
| Valvoja: | Hautojärvi, Pekka |
| Ohjaaja: | Tuoriniemi, Juha |
| OEVS: | Sähköinen arkistokappale on luettavissa Aalto Thesis Databasen kautta.
Ohje Digitaalisten opinnäytteiden lukeminen Aalto-yliopiston Harald Herlin -oppimiskeskuksen suljetussa verkossaOppimiskeskuksen suljetussa verkossa voi lukea sellaisia digitaalisia ja digitoituja opinnäytteitä, joille ei ole saatu julkaisulupaa avoimessa verkossa. Oppimiskeskuksen yhteystiedot ja aukioloajat: https://learningcentre.aalto.fi/fi/harald-herlin-oppimiskeskus/ Opinnäytteitä voi lukea Oppimiskeskuksen asiakaskoneilla, joita löytyy kaikista kerroksista.
Kirjautuminen asiakaskoneille
Opinnäytteen avaaminen
Opinnäytteen lukeminen
Opinnäytteen tulostus
|
| Sijainti: | P1 Ark TF80 | Arkisto |
| Avainsanat: | dilute helium-3 superfluid nuclear demagnetization cooling laimea helium-3 supraneste ydindemagnetointijäähdytys Kapitza-vastus |
| Tiivistelmä (fin): | Työ käsittelee termistä mallia, joka kuvaa TKK:n kylmälaboratorion mittauksissa vuosina 2000-02 käytettyä koekammiota. Siinä jäähdytettiin helium-3:n laimeaa seosta suprajuoksevassa helium-4:ssa 100 µK suuruusluokkaa oleviin lämpötiloihin. Jäähdytysmenetelmänä oli heliumiin upotetun kuparin adiabaattinen ydindemagnetointi, ja tavoitteena saavuttaa näytteessä niin alhainen lämpötila, että myös siinä oleva helium-3 muuttuisi supranesteeksi. Olomuodon muutosta ei kokeissa havaittu, vaikka sen odotetaan riittävän matalassa lämpötilassa tapahtuvan. Korkeimmat teoreettiset arviot muutoslämpötilasta ovat kymmenien mikrokelvinien luokkaa. Malli on ensimmäisen asteen differentiaaliyhtälöryhmä, jossa tuntemattomina ajan funktioina on koelaitteiston osien lämpötiloja. Yhtälöt ratkaistaan numeerisesti tietokoneella. Ne riippuvat osien lämpökapasiteeteistä, niiden välisestä lämmönvaihdosta, lämpövuodosta, käytetystä lämmityksestä ja ulkoisesta magneettikentästä. Mallia tarvitaan, koska alimpien lämpötilojen, erityisesti jäähdytetyn heliumseoksen, mittaaminen ei ollut mahdollista. Heliumnäytettä tarkkailtiin usealla värähtelevä lanka -viskometrillä, jonka mekaanisen resonanssin leveys on muunnettavissa lämpötilaksi vain noin millikelvinin yläpuolella. Näytteen minimilämpötilan arvioinnin lisäksi mallinnuksella haluttiin selittää havaittu odottamattoman voimakas terminen kytkentä koekammion kahden sisäkkäisen osan, ulko- ja sisäkammion, välillä. Osien lämpökapasiteetit tunnetaan lukuun ottamatta ulkokammiossa olevaa hienojakoista kuparijauhetta. Jauheessa kiderakenne poikkeaa säännöllisestä hilasta, koska sitä on valmistusvaiheessa litistetty takomalla. Hilan epäsäännöllisyys mahdollistaa ytimien kohdalla nollasta poikkeavan sähkökentän gradientin, jolloin ytimien energiatilat jakautuvat niiden sähköisen kvadrupolimomentin vuoksi. Tämän tilojen jakautumisen vuoksi kuparijauheen ytimillä on pienissä ulkoisissa magneettikentissä ominaislämpökapasiteetti, joka vastaa kiderakenteeltaan säännöllistä kuparia 300 mT kentässä. Jauheen ytimiä kuvataan mallissa jakamalla ne kahteen joukkoon, joista toisessa ydinten energiatilat määrää pelkkä ulkoinen magneettikenttä, mutta toisessa vaikuttaa lisäksi kvadrupolihajoaminen vakiosuuruisessa sähkökentän gradientissa. Kvadrupolihajonneen joukon osuudeksi saatiin 15 % demagnetointijäähdytyksenjälkeiseen lämpenemiseen kuluneen lämpömäärän perusteella. Osien välisistä termisistä kontakteista huonoiten tunnettu on heliumin ja kuparin lämmönvaihto kuparin pintaan sintratun hopeajauheen välityksellä. Tätä kuvaa matalissa lämpötiloissa terminen rajapintavastus eli Kapitza-vastus. Nykykäsityksen mukaan millikelvinalueella Kapitza-vastuksen määrää fononien siirtyminen rajapinnan yli, ja lämmönjohtavuus on verrannollinen lämpötilan kolmanteen potenssiin. On kuitenkin sekä kokeellisia että teoreettisia perusteita olettaa, että millikelvinalueen alapuolella tulee hallitsevaksi lämmönvaihdon mekanismiksi magneettinen vuorovaikutus helium-3-ytimien ja metallin välillä. Magneettisen kytkennän lämpötilariippuvuudeksi on esitetty lämpötilan neliötä. Tällä oletuksella työssä päädytään melko voimakkaaseen, alle 10 mT kentässä ja 1 mK lämpötilassa kymmenkertaiseen magneettiseen kytkentään fononijohtavuuteen verrattuna. Tulosten perusteella sisä- ja ulkokammion välinen kytkentä johtuu niissä olevien heliumnesteiden suorasta kontaktista sisäkammion seinämään syntyneen aukon läpi. Alimmiksi saavutetuiksi heliumseoksen lämpötiloiksi arvioidaan 70-90 µK. |
| Tiivistelmä (eng): | The Thesis describes numerical thermal modelling of an experimental cell used for measurements on dilute mixtures of helium-3 in helium-4 to temperatures of order 100 µK. We applied adiabatic demagnetization cooling of an immersed copper nuclear stage, aiming at helium temperatures sufficiently low for the anticipated superfluid transition of helium-3 in the mixture. The transition remained undetected. The highest theoretical predictions of the transition temperature are a few tens of micro kelvin. The model is a group of first-order differential equations, the temperatures of the components of the setup as unknown functions of time. We solve the differential equations numerically by a computer. They depend on heat capacities of the components, heat exchange between them, heat leak, deliberate heating, and on external magnetic field. The motivation for the modelling was the infeasibility of measurement of the lowest temperatures, in particular that of the sample mixture. We probed it by vibrating wire viscometers, while the widths of their mechanical resonances are reliably convertible into temperature above 1 mK only. In addition to estimating the lowest sample temperatures, we used the model to explain the observed unexpectedly strong thermal coupling between the two nested parts of the cell, the inner and the outer cell. The heat capacities involved are well known, except that of the fine copper powder in the outer cell. The crystal structure is strongly deformed in the powder particles, flattened by hammering during the manufacture. The irregularity of the lattice enables non-zero electric field gradients at the sites of the nuclei, giving rise to quadrupolar splitting of the nuclear energy levels. Due to this level splitting, the powder showed at low magnetic fields a specific heat corresponding to that of copper with a regular lattice structure at a 300 mT external field. We model the powder by dividing the nuclei into two sets: one set experiencing only the Zeeman splitting by the external magnetic field, and the other also quadrupolar splitting by a constant electric field gradient. On the grounds of heat consumed to warm up the cell after demagnetization cooling, the share of nuclei with quadrupole splitting was 15 %. When modelling the thermal couplings between the components, we had least advance information on the heat exchange between helium and silver powder sintered onto the copper parts. At low temperatures, there is a thermal boundary resistance or Kapitza resistance between helium and metal. The present understanding is that phonon transmission dominates the Kapitza resistance at millikelvin temperatures, giving a thermal conductivity proportional to the temperature cubed. However, both experimental and theoretical evidence exist of a magnetic coupling between heHum-3 nuclei and metal, dominant at sub-millikelvin regime and creating a conductivity proportional to the square of temperature. Assuming this, we settle at a rather strong magnetic coupling, ten times as conductive as the phonon coupling at 1 mK and below 10 mT. According to the modelling results, the coupling between the inner and the outer cell is due to an opening in the wall separating them. We estimate that the lowest achieved temperatures of the helium mixture lie between 70 and 90 µK. |
| ED: | 2004-01-14 |
INSSI tietueen numero: 21095
+ lisää koriin
« edellinen | seuraava »
INSSI