Способ измерения высоких давлений при низких температурах и устройство для его осуществления

 

) Г. Способ измерения высоких давлений при низких температурах, включающий измерение частоты,магнитного резонанса активного элемента, отличающийся тем, что,ее целью повышения точности измерений и; расширения области использования, в качестве активного элемента используют кристаллы слабого ферромагнетика FeBOj, измеряют частоту магнитного резонанса ядер Fе во внутренних магнитных полях указанных кристаллов и по значению этой частоты судят о величине давления. 2. УстрсЛство для измерения высоких давлений при низких iтемпературах, содержащее спектрометр магнитного резонанса, включающий реарнатор с активным элементом, размеренным в сосуде высокого давления, н модулируемый источник высокочастотной мощности , подключенный к резонатору, i о т л и ч а ю щ .е е с я тем, что, с целью упрощения устройства и повышения точности; ;измерений, резонатор выполнен в виде однослойной катушки , активный элемент выполнен из монокристалласлабого ферромагнетика РеВОэ, а спектрометр магнитного резонанса выполнен в виде .автодинного спектрометра ядерного магнитного резонанса с частотвв{ «содуляцией. i(ik 00 ро 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН. 3(511 G 01 и 24/08

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ У С8ИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР.

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3454934/18-25 (22) 06. 05. 82., (46) .15.10.83. Бюл. Ю 38 (72). В.Д. Дорошев, Н.M. Ковтун и А.Н.Молчанов

"(71) Донецкий физико-технический ,институт АН Украинской ССР (53) 539.143.43(088.8) - (56) 1. Блок С. Я.:, Пьермарини Г.

Алмазные наковальни открывают новые, возможности в физике высоких давле- .. ний,» УФН, 1979,.с. 127, вып. 4, с. 705-718.

2. Авторское свидетельство СССР

9 693232, кл. G 01 М 24/10,.1977 (прототий) .. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЬМОКИХ ДАВ . ЛЕНИЙ ПРИ НИЗКИХ 1ЕМПЕРА1УРЬХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕС1ВЛЕНИЯ (57,) 1. Способ измерения высоких давлений при низких температурах, вклвчакщий измерение частоты, магнитного резонанса активного элемента, о т л и ч а в шийся тем, что,сс целью повышения.точности измерений и:

„.SUÄÄ 10483S4 .А расширения области использования, в качестве активного элемента используют кристаллы слабого ферромагнетика ГеВО3, измеряют частоту магнитного резонанса ядер 7 Ре во внутренних магнитных полях указанных кристаллов и по .значению этой частоты судят о величине давления.

2. Устройство для измерения высоких давлений при низких:температурах, содержащее спектрометр магнитного резонанса, вклвчакщий резонатор с активньм элементом, размещенным в . сосуде высокого давления, ц модулируемый источник высокочастотной мощности, подключенный к резонатору, о т л и ч а в щ,е е с я тем, что,, 9 с. целью упрощения устройства и повышения точности:;измерений, резонатор выполнен в виде однослойной катушки, активный элемент выполнен из монокристалла слабого ферромагнетика

ВеВОЗ, а спектрометр магнитного резонанса выполнен в виде,автодинного ,.спектрометра ядерного магнитного резонанса с частотой дпдуляцией. "4" (. Р

4ь

QO

CO

4 ь

1048384

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике измефения высоких гид остатических давлений (до 30 тыс. атм.) при низких температурах (в интервале гелиевых температур 1-5 К), .и может найти применение в научном эксперименте.

Известен способ измерения высоких и сверхвысоких давлений, используе.мый в.широком интервале температур, путем измерения длины волны узкой линии люминесценции рубина. Датчиком давления в этом способе, является монокристалл рубина (А1 Оэ + С г ), выбор которого среди других возмож- 15 ных веществ обусловлен малой шириной линии, большой величиной барического коэффициента длины волны, линейностью градуировочной кривой до 300 тыс.атм. и большой интенсивностью линии излу- 20 чения люминесценции. Манометр, основанный на этом способе, нашел широ-. кое применение в ячейках сверхвысоких давлений — алмазных наковальнях.

Точность измерения давления при за- 25 писи линии 0,5-1 тыс..атм., а при ручной настройке на максимум линии люминесценции 2-3 тыс. атм. (1) .

Однако необходимость .иметь опти-. ческие окна в камере высокого давления и криостате сильно сужает область применения способа. Манометр, основанный на этом способе, имеет сложную и дорогостоящую вторичную аппаратуру, которая зачастую оказывается 35 сложнее аппаратуры для происходят под давлением физических исследований. Кроме того, точность измерения недостаточная в интервале давлений

0-30 тыс. атм,,характерном .для камер4() типа цилиндр-поршень при низкотемпе.ратурных исследованиях..

Наиболее близким к изобретению является способ измерения.высоких .давлений при низких темнературах, включающий измерение частоты магнитного .резонанса активного элемента, и устройство для его осуществления, содержащее спектрометр магнитного рез нанса, включакиций .резонатор.с активным элементом, размещенным в сосуде высокого давления, а модулируемый источник высокочастотной моцности, подключенный к резонатору Ы.

Способ и -устройство основаны на зависимости от давления параметра начальйого расщепления 20 спектра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) ионов Cr + в рубине (М 03 + С и ), монокристалл 60 которого помещен в камеру высокого давления. Параметр 2D не зависит от температуры и изменяется почти линейно с давлением, соответствующий барический коэффициент Ь (20)(аР =

= 21,3 Мрц/тыс.атм., где h - изменения параметра D и давления Р. По смещению линий спектра ЭПР судят о величине давления в камере. При ширине линии резонанса в рубине 15Ý и ошибке измерения резонансного поля

ЗЭ точность измерения давления указанньм способом составляет

0,4 тыс.атм.

Основньм недостатком известного способа и устройства является относИтельная сложность конструкции и не- достаточная точность измерений. Укаэанный способ и устройство применяются при исследованиях под давлением веществ методом ЭПР,когда в камере высокого давления., содержащей резонатор спектрометра ЭПР, вместе с исследуемым образцом можно разместить также монокристалл рубина. Кроме того, процесс измерения давления с помощьЮ известного способа, является сложньм и продолжительньм, что,обусловленО: рядом факторов: необходимостью точной ориентации монокристалла .рубина относительно. направления магнитного поля, необходимостью точного измерения значения резонансного .магнитного поля как при изяеряемом давлении, так и прч нулевом давлении, т.е.. в разгруженном состоянии камеры высокого давления. . Пелью изобретения является повышение точности измерений и расширение области использования.

Поставленная. цель достигается таМ, что согласно способу измерения высоких давлений при низких температурах, включающему измерение частоты магнитного резонанса активного элемента, в качестве активного элемента испольэу1от кристаллы слабого

Ферромагнетика еВО, измеряют частоту магнитного резонанса ядер

Fe ao внутренних магнитных полях 7 указанных кристаллов и по значению этой частоты судят о величине давле-ния.

В устройстве для измерения .высоких давлений при низких температурах, содержащем спектрометр магнитного резонанса, включающий резонатор с активньм элементом, размещенным в аосуде высокого давления, и модулируемый источник высокочастотной мощности, подключенной к резонатору, резонатор выполнен в виде однослойной .катушки, активный элемент выполнен из монокристалла слабого ферромагнетика FeBO, а спектрометр маг- нитного резонанса выполнен в виде автодинного апектрометра ядернего магнитного резонанса с частотвей модуляцией.

Соединение РеВОЗ является слабым ферромагнетиком с магнитной кристал-,» лографической анизотропией типа лег", к ;..

-," . Ф

1048384 4 / кая плоскость и высокой температурой упорядоченных кристаллах. Значение магнитного упорядочения Т а 348 К. для ядер в доменах определяется

Магнитный резонанс е (ЯМР) наблю- отношением Н /Н, где Hn - сверхтондается в этом соединении во внутрен- кое поле на ядрах (Н„ — 0,55!106 Э) них магнитных пОлях на ядрах, созда- -, H> — поле анизотропии в базисной ваемЬ1х электронной оболочкой ионов 5 плоскости кристалла, для которого

Fe +, без наложения внешнего магнит- . оценена лишь верхняя граница (0,5 Э). ного поля. Частота ЯМР Ге в функции, . Опытные данные показывают, что температуры при нормальном давлении g 10 <, а сигналы происходят как от изменяется от.,значения 3 - 76,439 МГц ядер в доменах, так и в доиейных до 0 при изменении температуры от 0 1О границах. до 348 К. В этом интервале темпера Поскольку резонансная линия .RMp тур можно выделить две характерные ; е наблюдается без наложения внеш- области: 15-340 К, где частота RNP - него мавнитного поля, отпадает несильно зависит от температуры, и - обхОдимоств применять громоздкий и

0-5 К, где зависимость частоты ЯМР 45 дорогостоящий электромагнит.и мощный от темпарутры очень слабая, что поз" .-. стабилизированный блок питания электволяет использовать JеВОЭ в этой : ромагнита, необходимые для наблюдеобласти для измерения давления °,:-- . ния ЭПР в рубине. Благодаря этому

Физическая сущность зависимости становится возможньм измерение давчастоты ЯМР от давления заключается 2р .ления в камерах, выполненных из магв следующем. нитных материалов, например из стеЧастота 1 пропорциональна внут- . лей. реннему (так называемому сверхтонко" . Поскольку длина волны % достаточно m) полю на ядрах-ионов Рез+, кото- - большая (а3,9 м вместо длин волн рое образуется вследствие поляриза- 2 0ю1-10 см, используемых в технике ции внутренних б -оболочек иона ЭПР), соединение камеры высокого:. внешней нескомпенсированной 3д-обо- - давления со спектрометром производит лочкой, обуславливакщей магнетизм cH простой коаксиальной линией малосоединеиия. При всестороннем сжатии ro диаметра, а не волноводом. Стакристалла изменяются перекры-.. 3О, новится возможным использование тия .Зд -оболочки и 3 "оболочек и, - электровводов обычного типа, применяследовательно, степень поляризации . емых для цепей постоянного тока. Препоследних. Кроме того, изменяется:: - цизионный СВЧ-резонатор, имеющий электронная плотность на ядре с ýëåê - значительные габариты, заменяется тронов. Изменения этих факторов и ви ": малогабаритной однослойной ВЧ катуш-. зывают зависимость поля на ядре и, кой, состоящей из нескольких витков.

35 в свою очередь, частоты Я ЯМР от . ":. провода обычно меднохо, внутри кодавления Р. Зависимость q (Р) прак- -- торой размещается активный элемент. тически не поддается расчету. .,БлагодаРЯ этомУ пРедлагаемый способ

I,измерения давлений может. быть испольЭксперимантально изучены некото-. 40- зован в большинстве случаев физичес« рые особенности явления ЯМР в FeBO@, ких низкотемпературных исследований .делающие его уникальным для маномет- при высоких давлениях, а не только рических целей. Так, расширение в случае исследований методом ЭПР.. области использования способа связано,- упрощение процесса измерения давсо следукшим: сигналы ЯМР е очень jg ления связано со следующим. интенсивны даже при .естественном : Отпадает такая операция, как точсодержащии изотопа. По этой причине,;ная ориентация оси симметрии монодетектирование сигналов легко осуще-- ..кристалла рубина относительно направствляется простейшими автодинами с ления постоянного магнитного. поля. .частотной модуляцией и визуальным,5О Неточная ориентация базисной ЙЛЫЙоснаблюдением на экране осциллографа. : ти монокристалла ФеВО3 относительно

Схемы таких автодинов составлены из .. оси катушки в малой степени влияет нескольких транзисторов. Опытная про- лишь на интенсивность сигналов ЯМР верка показывает, что визуальное . (сигналы максимальны, когда базисная наблюдение, сигналов возможно с соот- плоскость параллельная оси катушки), ношением сигнал - шум 30:1 на моно- но совершенно не влияет на частоту кристалле объемом 0,005 см . Поэтому ЯМР, поскольку сигналы наблюдаются

Э вторичная аппаратура соответствую- - во внутренних полях кристалла. кроме щего манометра несравненно проще, того, ввиду. хорошей воспроизводимосчем манометра, основанного на ЭПР ти значений частоты ЯМР нет необходиС Р+ в рубине,,и является общедоступ» 60 мости измерять значение частоты в ной. Физической причиной, интенсивно- !разгруженном состоянии камеры высокого ЯМР-поглощения . в случае PeBOg : zo давления, достаточно пронести из-" является уникально большое значение . мерения под давлением. коэффициента усиления ЯМРЯ, характе- Повышение точностияизмерения давризирующего явление ЯМР в магнито- ф5 ления связано с малой шириной линии

1048384

ДГ ЯИРА Fe в F eBO@ при. низких температурах. Например, при Т"-4,2 К, a,1=2-4 кГц. Это обусловлено тем, что в еВОЭ отсутствует главный механизм уширения линий ЯИР в. ферромагнетиках - распределение магнит, ных полей для ядер в доменной стенке, обусловленное дипольными к анкзотропыыми сверхтонкими полями. В еВО8 имеются доменные стенки неелевского и блоховского типов, намагниченность в которых вращается в базисйой плос.кости кристалла, благодаря Чему дипольных вклад в резонансную частоту остается постоянным. ПоЭтому линии ядер в„ доменных стенках не уширяются.35 по сравнению.с линиями ядер в объеме доменов. Так как спин ядер Fe

3 =1/2, отсутствует также квадруполь- . ный механизм уширения линий. Поскольку для обеспечения высокой чувстви- 20 тельности и точности важно большое

; значение параметра (1+ F ) (АФ/Ь Р), малая ширина линии столь же необходима, как и большое .значение баркческога коэффициента частоты. на фиг.1 представлена графическая зависимость частоты ЯИР > F е от давления при Т = 4,2 К; на фиг.2 схематически изображено устройство для измерения высоких давлений при нкз- З0. ких температурах.

Пример . Проводилось измерение частоты ЯИР 1Fe во внувреннкх магнитных полях монокристалла F eBO3 в зависимости -от давления.

Измерения выполнены в камере высокого давления типа цилиндр-прршень .в диапазоне давлений 0-16 тыс.атм. при Т = 4,2 К. Для определения вида зависимости 9 (Р) использовался индиевый сверхпроводящий манометр 40 и калибровочная зависимость для т (Р) индия, где Тк - значение температуры сверхпроводящего перехода при давлении Р.

Камера заполнена масляно-керосиновой смесью с соотношением компонентов 1:l. Давление создавалось-и фиксировалось при комнатной температуре, затем камера медленно. охлаждалась до температуры жидкого гелия и про- . изводилось измерение частоты. ЯМР.

После этого измерялось давление в камере сверхпроводящим манометром.

На фиг.l изображена полученная зависимость частоты ЯИР > Fe в функции давления при Т=4,2. Зависимость имеет линейнь1й характер в исследованном интервале давлений. Разброс точек на фиг.l обусловлен главньм образом неточностью измерения давления сверх-60 .проводящим манометром.

Воспроизводимость измерения час-. тоты IMP ? Fe при 4,2 K к нормальном давлении исследована для монокристаллов, выращенных кз раствора в 6$ расплаве и взятых из.различных партий, отличающихся составом шихты и условиями роста. Оказалось, что при визуальной регистрации линии на экране осдилографа воспрокзводимость частоты ЯМР на хуже чем 0,1-0,2 кГц, а 1 = 76,4382 МГц. Исходя из этой ошибки измерения частоты, можно сделатв вывод, что предлагаемый способ позволяет измерять давление с ошибкой s 2-4 раза меньшей,чем у известного способа. Определено значение барического коэффициента частоты ь1 /ьр =

2, 32 кГц/тыс. атм. и найдено, Что квадратичными поправками можно пблиостьв пренебречь. Высокая soc;проиэводимость значений частоты прк нулевоМ давлении свидетельствует о том, .что. нет необходимости в ее определении для каждой серии измерений давления .

Устройство для измерения вь1соких давлений при низких температурах (фиг..2) включает активный элемект выполненный в виде монокристалла

ГеВО;.) и помещенный в камушку 2, изготовленную,. например, из медного провода и подсоединенную к электровводу 3, и автодинный. ЯМР-спектрометр 4:. Активный элемент расположен в. камере 5 высркого давления. ЯМРспектрометр включает модулируемый источник б высокочастотяой мощности, подключенный через коаксиальную линйю

7 и электроввод.3 к резонатору, а также частотомер 8 и осциллограф 9..

Устройство работает следующим образом.

Высокочастотная энергия от модулируемого источника б высокочастот- ной мощности подводится к электровводу 3 и, соответственно, к катушке

2 по линии 7. Продетектированный сигнал поступает на вход вертикального отклонения осциллографа 9, а напряженые низкой частоты,. используемое для модуляции источника б высокочастотной .мощности — на вход горизонтального отклонения. При достижении резонансных условий в центре экрана осцйллографа наблюдают резонансную линию. Затем при выключенной частотной модуляции измеряют. значения частоты резонанса с помощью частотомера 8.

Значейие давления определяют по формуле

0-)(Р,(0)-0,(P)), где К - aQ)ЬР - барический коэффициент частоты ЯИР Ре при гелкевых температурах; (0) - табулированное зна. чение частоты.при данной температуре и нормальном давлении1.1048384

Ф (Р)- значение частоты камерами как из магнитных, так и при. данной темпера-.. .немагнитных материалов t упростить туре и измеряемом . процесоэизмерения давления, посколь" давлении.:,: ку отпадает необходимость ориентации

Использование предлагаемого способ . активного элемента и регистрации реба и устройства для его осуществле- зонанса.при нулевом давлении в 2-4 ния позволяет по сравнению с сущест- ..раза повысить точность измерения .вующими расширить область применения : давления, существенно упростить констановится. возможньва .измерение вы- ", струкцию датчика и уменьшить его гасоких давлений в диапазоне гелиевых,. бариты, снизить требования к электротемператур в большинстве видов физи- 1О вводу камеры высокого давления и ческих исследбваний при работе с " соединительной линии.

76,4

1048384

Составитель В.Майоршин l

Редактор М.Петрова Техред К.Мыцьо Коррек тор Г. Режетник.

Заказ 7923/50 Тираж 873, Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д..4/5

Филиал ППП Патент, г.ужгорОд,.ул.Проектная,4