Кипение азота на поверхности тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников при джоулевом разогреве

Актуальность темы

.

Существует большой класс неравновесных фазовых переходов в системах различной природы, которые связаны с крупномасштабными тепловыми, гидродинамическими и электромагнитными возмущениями. Типичным примером такого неравновесного фазового перехода является, например, кризис кипения. Как правило кризис кипения имеет автоволновую природу или развивается как неустойчивость во встречных потоках пар — жидкость. Картина сильно усложняется, когда фазовый переход испытывает не только жидкость, но так же материал нагревателя. При этом наблюдается широкий спектр автоколебательных режимов теплообмена от регулярного до сложного хаотического. Типичным примером такого фазового перехода является кипение жидкого охладителя на поверхности ВТСП — пленки. В этом случае наблюдается сложное взаимодействие фазовых переходов жидкость — пар и сверхпроводник — нормальный проводник. В системе может возникнуть состояние тепловой мультистабильности, когда заданному значению управляющего параметра (транспортного тока) соответствует несколько стационарных состояний системы, переходы между которыми являются неравновесными фазовыми переходами.

Такая ситуация встречается при изучении динамики теплового разрушения сверхпроводящего состояния тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников, охлаждаемых непосредственно жидким азотом. Так как жидкий азот обладает широкой областью пузырькового кипения и высокими значениями теплоты испарения то это приводит к широкому спектру режимов теплообмена.

Тонкопленочные ВТСП — элементы обладают высокой чувствительностью к изменению температуры (в области слаборезистивного состояния) и малой инерционностью, что позволяет использовать их как датчики температуры и тепловых потоков и применить для экспериментального исследования динамики нерегулярных режимов теплообмена и взаимодействия режимов кипения с процессами формирования и динамики диссипативных структур.

Цель работы. Целью данной работы является изучение условий возникновения и эволюции спонтанных пульсаций теплообмена на примере нелинейной системы: сверхпроводник с током — жидкий охладитель. Выделение динамических (регулярных и хаотических), стохастических и шумовых составляющих нестационарного теплообмена для прогнозирования отклика системы на изменение управляющих параметров. Для решения поставленных задач необходимо было:

— Получить стабильные, высококачественные ВТСП — пленки с достаточно высокими характеристиками. Создать и оптимизировать технологию получения тонких ВТСП — пленок.

— Найти условия существования состояния тепловой бистабильности системы при линейном теплоотводе, определить вольтамперные характеристики тонких ВТСП — пленок при различных режимах управления тепловой нагрузкой.

— Определить области существования различных режимов теплообмена: токонесущий сверхпроводник — жидкий охладитель.

— Исследовать взаимное влияние смены режимов теплообмена с тепловым разрушением сверхпроводимости, а именно, переходов от однофазной конвективного теплообмена к режиму пузырькового кипения и перехода от пузырькового к пленочному кипению, на тепловую устойчивость сверхпроводящего состояния.

— Определить динамические и статические характеристики тепловых пульсаций при кипении азота на поверхности ВТСП-пленок. По полученным данным найти характеристики колебаний теплоотдачи, связанные с возникновением, ростом и отрывом паровых пузырей.

Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные результаты:

— Экспериментально реализовано состояние тепловой бистабильности при джоулевом разогреве тонких пленок УВа2СщО^-х, измерены вольтамперных характеристик пленок в условиях тепловой бистабильности при различных режимах управления тепловой нагрузкой (режим фиксированного тока и режим фиксированного напряжения).

— Определены области стационарных состояний, связанных с различными режимами теплообмена в условиях тепловой мультистабильности при непосредственном охлаждении тонких пленок УВа^СщО^^ жидким азота.

— Оценены корреляционные размерности фазового пространства при переходе от периодической к стохастической генерации паровых пузырей.

— Обнаружено явление резкого возрастанию амплитуды термоколебаний при пузырьковом кипении азота в узком диапазоне изменения рассеиваемой мощности, связанное с локальным переходом от пузырькового к пленочному кипению.

Практическая ценность результатов. Полученные в работе новые экспериментальные данные о стационарных режимах теплообмена тонких.

ВТСП — пленок с жидким азотом и динамике кипения на поверхности пленок представляют интерес для развития теории нестационарного теплообмена при кипении криогенных жидкостей на нелинейном тепловыделяющем элементе. Результаты экспериментального исследования режимов теплоотвода на тепловую устойчивость нагруженных током тонких ВТСП — пленок полезны для решения прикладных задач криоста-билизации сверхпроводящих тонкопленочных ВТСП — устройств.

Автор защищает:

— Экспериментальное определение областей стационарных режимов теплообмена токонесущих ВТСП — пленок с жидким азотом, свидетельствующих о состоянии тепловой мультистабильности.

— Результаты экспериментального исследования динамики и яч (угя. нормальной фазы при кипении азота на поверхности ВТСПнагревателя. ¦

— Экспериментальное обнаружение локального кризиса кипения, в области которого наблюдаются интенсивные тепловые пульсации со спектральной плотностью, обратно пропорциональной частоте (фликкер — шум).

— Найденные по полученным экспериментальным данным характеристики тепловых пульсаций при кипении азота на поверхности тепловыделяющего ВТСП — элемента (спектральные плотности, автокорреляционные функции, функции распределения, корреляционные размерности, энтропия).

Апробация работы. Результаты диссертации были представлены и докладывались на 30 Совещании по физике низких температур (Дубна, 1994 г.) — Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994 г.)-на III Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1996 г.)-на Второй Российской конференции по теплообмену (Москва, 1998 г.).

В первой главе диссертации описаны особенности кипения жидкости на поверхности нелинейного нагревателя. Приведены возможные режимы кипения жидкости на греющей поверхности: конвективный, пузырьковый и пленочный. Особенно отмечено, что при росте пузыря на греющей поверхности возможно образование сухого пятна, т. е. области непосредственного контакта паровой фазы с нагревателем. Причем, под сухим пятном, вследствие локального ухудшения теплообмена, на поверхности нагревателя возникают значительные тепловые возмущения. Прохождение электрического тока через сверхпроводник может сопровождаться развитием тепловой неустойчивости, когда джоулево тепловыделение в возникших по той или иной причине резистивных областях не компенсируется теплоотводом в охладитель. В этом случае возникает состояние тепловой бистабильности (в общем случае — мультистабиль-ности) системы, при котором заданному значению управляющего параметра (транспортного тока) соответствуют два (или более) устойчивых состояния. Вольтамперная характеристика бистабильного сверхпроводника имеет характерный ¿-'-образный вид и определяется стационарным решением уравнения теплопроводности. При рассмотрении неравновесных фазовых переходов в токонесущих средах ВАХ является аналогом уравнения состояния системы и в случае, когда поведение лимитируется тепловыми процессами, определяет стационарную плотность теплового потока с поверхности тепловыделяющего элемента. При наличии прямого контакта поверхности тепловыделяющего элемента и жидкого охладителя коэффициент теплоотдачи с поверхности уже нельзя считать постоянным. Его величина будет изменяться при изменении температурного напора — разности температур поверхности сверхпроводника и охладителя. Изменение коэффициента теплоотдачи обусловлено существованием различных режимов теплообмена греющей поверхности с жидким охладителем, а именно, однофазного конвективного теплообмена с перегретым пристеночным слоем, теплообменом с азотом в режиме пузырькового кипения и теплообменом в режиме пленочного кипения. Сложная картина получается при сильном отклике на вскипание в неравновесных условиях, когда сам нагреватель является нелинейным элементом. Наличие обратной связи между нелинейными процессами в нагревателе, в частности, возникновением и динамикой нормальной зоны в сверхпроводнике, и теплогидродинамическими явлениями в жидком охладителе приводит к каскаду взаимодействующих (накладывающихся) фазовых переходов.

Во второй главе диссертации описана технология получения тонких пленок системы YBaCuO и приведены основные свойства полученных пленок. Приведен краткий обзор способов получения тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников. Основное внимание уделено используемому в данной работе способу магнетронного распыления на постоянном токе. Приведены параметры изготовленной магнетронной распылительной системы. Подробно описана технология получения тонких пленок YВа^СщО^-х распылением мишени стехиометрического состава как по трех стадийной технологии с последующим высокотемпературным отжигом, так методом in situ. Приведены результаты измерения основных сверхпроводящих свойств полученных пленок. Лучшие пленки были получены на подложках SrTiOz по двухстадийной технологии и имели температуры сверхпроводящего перехода Тс = 87 — 88 К с шириной перехода ДТ ~ 1К и плотностью критического тока jc ~ 106 А/см2 при 77 К и нулевом внешнем магнитном поле.

В третьей главе диссертации приведены результаты экспериментального исследования теплового разрушения сверхпроводимости тонких пленок УВаъСщОт-х в условиях нелинейного теплоотвода, связанного с кипением жидкого азота на поверхности тепловыделяющего ВТСП — элемента. Изучено тепловое разрушение нагруженных током тонких пленок УВа2Сщ07-х в условиях линейного теплоотвода. Приведены вольт-амперные характеристики пленок в условиях тепловой бистабильности при различных режимах управления тепловой нагрузкой (режим фиксированного тока и режим фиксированного напряжения источника). Изучено влияние условий эксперимента (температура подложки, коэффициент теплоотдачи с поверхности пленок, геометрия пленок) на тепловую устойчивость сверхпроводников при джоулевом саморазогреве. Особое внимание при этом уделялось взаимодействию различных неравновесных фазовых переходов в контактирующих подсистемах. Измерены вольтамперные характеристики в условиях смены режима теплоотдачи с поверхности пленки, вызванной переходами от однофазного конвективного теплообмена с перегретым азотом к режиму пузырькового кипения и переходу от пузырькового к пленочному кипению (кризис кипения). Экспериментально показано, что пристеночный перегрев жидкого азота понижает тепловую устойчивость сверхпроводников.

Четвертая глава диссертации посвящена изучению динамики генерации паровых пузырей на поверхности тепловыделяющего ВТСП — элемента. При определенных условиях наблюдалась периодическая генерация, связанная со специфическим срабатыванием готового центра. Обнаружено явление резкого возрастания амплитуды тепловых колебаний в узком диапазоне изменения рассеиваемой мощности, связанное с образованием сухого пятна (локальный кризис кипения) на нелинейном нагревателе. Показано, что в этой области реализуется критический неравновесный фазовый переход, определяемый совпадением локальных наклонов вольтамперной характеристики и нагрузочной линии электрической схемы. Спектральная плотность колебаний в области критического неравновесного фазового перехода обратно пропорциональна частоте колебаний (1// - шум). Наблюдаемый 1// - шум сохранялся в достаточно широком диапазоне изменения наклона нагрузочной линии при заходе в докритическую область. На основании критерия 5 — теоремы оценена степень относительной упорядоченности системы при неравновесном фазовом переходе. Показано, что в соответствии с данным критерием степень относительной упорядоченности растет при переходе от однофазного к двухфазному состоянию.

В заключении диссертации приведены основные результаты работы и выводы.

Результаты работы могут быть полезны для прогнозирования устойчивой работы токонесущих тонкопленочных сверхпроводящих устройств.

Автор, выражает благодарность д.ф.-м.н. В. Н, Скокову и чл. кор. РАН Коверде В. П. за большую помощь и поддержку в работе.

Заключение

.

Нагруженная электрическим током сверхпроводящая пленка, находящаяся в контакте с жидким теплоносителем представляет собой сложную систему, в которой возможны различные нелинейные тепловые явления и неравновесные фазовые переходы. Джоулева тепловыделение в возникших по той или иной причине несверхпроводящих областях приводит к тепловой неустойчивости сверхпроводника с, током и возникновению состояния тепловой мультистабильности. Для состояния тепловой мультистабильности характерно наличие гистерезиса, падающих участков и ступеней на вольтамперных характеристиках, возникновение пространственных или временных диссипативных структур. В этом случае система находится вдали от термодинамического равновесия и стационарные диссипативные структуры поддерживаются за счет энергии внешнего источника. Переходы между стационарными состояниями являются неравновесными фазовыми переходами.

Благодаря сильно нелинейным тепловым свойствам тонкопленочные сверхпроводящие элементы являются высокочувствительными и малоинерционными датчиками тепловых потоков, позволяющие измерять как локальные характеристики теплоотдачи, так и регистрировать тепловые пульсации при сложном нестационарном теплообмене в криогенных системах. При джоулевом саморазогреве тонких ВТСП-пленок наблюдался широкий спектр колебательных режимов теплообмена — от регулярного периодического до сложного стохастического.

Нелинейные тепловые свойства теплоносителя существенно усложняют поведение системы. Так возможность пристеночного перегрева жидкого азота на поверхности токонесущих высокотемпературных сверхпроводников понижает тепловую устойчивость и приводит к увеличению возможного числа тепловых автоволн в системе. Поэтому при охлаждении высокотемпературных сверхпроводников непосредственно жидким азотом, желательно инициировать пузырьковые кипения для избежания перегревов. Переход от пузырькового к пленочному кипению, наблюдавшийся при увеличении температурного напора, может происходить в области резистивного состояния, когда весь сверхпроводник еще не перешел в нормальное состояние. Происходящее при этом автоволновое движение паровой пленки вдоль тонкопленочного мостика может привести к перегоранию образца.

Развитию глобального кризиса кипения, при котором весь образец покрывается сплошной паровой пленкой, предшествует образование сухого пятна на поверхности тонкопленочного тепловыделяющего ВТСПэлемента. Следствием этого является наличие перегиба на вольтам-перных характеристиках, что дает возможность реализоваться критическому неравновесному фазовому переходу. Совпадение релаксационных зависимостей для температурной флуктуации в области критического неравновесного фазового перехода и температуры межфазной границы при тепловом режиме роста пузыря приводит к самоорганизации критического состояния и затягиванию критического поведения в докрити-ческую область. Следствием этого является широкополосный низкочастотный 1// - шум. Подобное поведение является следствием взаимодействия переходов, протекающих в двух контактирующих подсистемах: сверхпроводящей пленке в условиях джоулева саморазогрева и кипящем азоте. Следует отметить, что масштаб амплитуд (десятые доли вольта) и диапазон частот (около четырех порядков) позволяют говорить, что мы имеем дело с макроскопическим генератором 1 // - шума.

Сформулируем основные результаты работы.

1. Методом магнетронного распыления на постоянном токе получены тонкие сверхпроводящие пленки УВачСщО^-х с температурой сверхпроводящего перехода для лучших образцов Тс = 87 — 88 К и плотностью критического тока ~ 10е А/см2 при 77 К.

2. По измеренным вольтамперным характеристикам тонких ВТСП пленок, охлаждаемых разреженным газом, определены условия существования тепловой бистабильности при различных условиях те-плоотвода и различных режимах управления тепловой нагрузкой. Показано, что тепловая бистабильность возникает при плотностях критического тока ]с > 103 А/см2 при 77 К.

3. Экспериментально реализовано состояние тепловой мультистабиль-ности нагруженных током тонких пленок УВа^СщОт^х, охлаждаемых кипящим азотом. Показано, что на тепловую устойчивость сверхпроводящих ВТСП — пленок существенное влияние оказывают переходы от перегретого метастабильного состояния жидкого азота к режиму пузырькового кипения и от пузырькового к пленочному кипению.

4. Экспериментально реализованы режимы регулярной и стохастической генерации паровых пузырей на поверхности тонкопленочного ВТСП — нагревателя.

5. Составлен алгоритм вычисления корреляционных интегралов по экспериментальным данным о тепловых осцилляциях. Проведена оценка корреляционных размерностей. Показано, что при переходе от регулярного к стохастическому режиму генерации паровых пузырей, существенно увеличивается эффективная размерность фазового пространства.

6. По экспериментальным осциллограммам тепловых пульсаций определены спектральные характеристики. Показано, что в области локального кризиса теплоотдачи при кипении азота на поверхности тонкопленочного ВТСП — нагревателя наблюдаются осцилляции с 1// - спектром.

7. На основании «5 — теоремы» оценена степень относительной упорядоченности системы при неравновесном фазовом переходе. Показано, что в соответствии с данным критерием степень относительной упорядоченности растет при переходе от однофазного к двухфазному состоянию.