氦-3状态方程研究进展第一部分:固-液、气-液饱和线以及临界区状态方程

宽温度和压力范围内的3He详细热力参数数据对进行极低温基础科学研究和制冷特性研究是至关重要的,但至今尚缺乏一个热力学统一的解析形式状态方程来准确描述1K左右到室温300K温区的3He热力学性质.在收集和整理各类研究3He热力性质文献的基础上,总结了3He固-液、气-液饱和线以及临界区状态方程的研究状况.这项工作不仅能为关心3He局部区域性质的研究人员提供总结,而且可为今后开发宽范围的3He热力学状态方程提供参考.     

采用常规状态方程计算氦-3热力性质的可行性研究

3He作为一种特殊的工质在低温工程、基础物理学和空间技术等领域获得重要应用,这些应用需要可靠的3He热力学性质数据。但是目前没有适用于3He的宽范围状态方程。不仅如此,而且有关的热物性实验数据也十分稀缺,这给应用3He的研究人员带来了困难。本文基于全面收集和整理有关3He的各类数据,通过编写计算机程序,考察了五种常用的状态方程(理想气体状态方程,范德瓦尔方程,RK方程,RKS方程和PR方程)用于计算3He在4K~100K温区定压下比容-温度关系的可行性,并将计算结果与实验数据进行了比较。这些比较结果将为3He状态方程的研究提供有价值的参考。     

3He的低温物理特性及其应用

随着低温技术研究的不断发展和日益深入 ,3He已经作为一种有潜力的工质在科学研究中得到应用。采用 3He作制冷工质 ,可获得比 4 He更低的制冷温度和更大的制冷量。文中将介绍 3He的基本物理性质 ,总结 3He在低温下的特性表现、获取方法以及应用情况 ,以供参考     

氦-3热力学状态方程框架

本文构建了低温流体3He状态方程的总体研究框架,它以温度和密度为独立变量,采用Helmholtz能形式表述 3He的热力性质依赖关系。在此基础上,推导了基于Helmholtz能形式基本状态方程的各热力学性质表达式。     

高密度流体He+H_2混合物物态方程研究

选择高密度流体He +H2 混合物作为研究对象 ,用Ree混合规则和vanderWaals单组分流体变分微扰理论加量子力学一级修正模型编制计算程序。作为对计算模型及其程序的检验 ,首先用已有的α exp 6优化势参数 ,计算了T =30 0K的He +H2 混合物的等温相平衡线 ,得到了与实验值和分子动力学 (MD)数值模拟一致的结果 ,然后进一步计算了 0～ 60GPa和 5 0～ 70 0 0K压力温度范围内的流体He+H2 混合物 (He∶H2 分别为 1∶1、1∶3、3∶1摩尔比 )的高压物态方程。与Monte Carlo模拟数据所进行的比较表明 ,在低温下 ,量子力学修正对热力学量的计算是重要的     

高密度流体He+H2混合物物态方程研究

选择高密度流体He H2混合物作为研究对象，用Ree混合规则和van der Waals单组分流体变分微扰理论加量子力学一级修正模型编制计算程序。作为对计算模型及其程序的检验，首先用已有的α-exp-6优化势参数，计算了T=300K的He H2混合物的等温相平衡线，得到了与实验值和分子动力学(MD)数值模拟一致的结果，然后进一步计算了0～60GPa和50～7000K压力温度范围内的流体He H2混合物(He H2分别为1：1、1：3、3：1摩尔比)的高压物态方程。与Monte-Carlo模拟数据所进行的比较表明，在低温下，量子力学修正对热力学量的计算是重要的。     

饱和液体氦-3的粘度性质

文中揭示了低温液态氦-3在其饱和蒸气压下粘度随温度状态参数变化的反常规律,首次提出了3He在0.003K至其临界温度3.3157K温区内完整的气液相平衡曲线粘度方程。该方程计算值与高精度实验数据偏差小于±0.7%,并且在极低温条件下光滑过渡为由量子理论预测的理论极限。这项工作是研究氦-3在整个温度和压力区间上粘度性质行为特性的起点,不仅是构建全区间粘度方程的重要边界,而且对于理解费米-狄拉克量子统计规律在低温下的作用规律具有指导意义。     

一种可用于极化~3He实验的新型磁场系统

原子核自旋极化的~3He气体已被深入研究并广泛用于各种科学实验.在过去的极化~3He实验中,为了减小磁场梯度对纵向弛豫时间的影响,通常会建造大尺寸的亥姆霍兹线圈来提供所需均匀度的主磁场环境.本文通过计算得到了新的六正方形线圈系统,可以为极化~3He实验提供小型高均匀性的磁场装置.其中线圈系√统内部超过30%的区域磁场梯度满足(|▽B_x|~2+|▽B_y|~2)/B_0 10~(-4)cm~(-1),这一均匀区域比例超过了现在所有用于极化~3He实验的线圈装置.对于其他需要大均匀区域磁场环境的研究实验,新的六线圈系统也具有很好的应用价值.     

D—^3He聚变动力可行性研究

本文首先简要地讨论D-3He聚变的物理要求并与D-T聚变作相应的比较,然后运用目前的约束定律和第一稳定区β极限,对计划的近期ETR规模装置(如CIT,TIBER,FER,NET)进行D-3He得失相当和点火实验的可行性研究,并对高径比第二稳定区D-3He托卡马克堆进行参数学研究,最后指出潜在的缩短商用化进程可能性。     

准一维电荷有序半导体(NbSe4)3I低温物性研究

近期,准一维电荷密度波(CDW)材料(TaSe_4)_2I的低温相被报道为轴子绝缘体[Nature 575,315(2019)],引起了广泛的关注.电荷有序半导体(NbSe_4)_3I与(TaSe_4)_2I属于同一个体系,晶体结构也表现为准一维的链状结构,低温下的物态值得进一步研究.本工作利用拉曼光谱和电输运测量实验方法对化学气相输运法(CVT)制备的高质量type-II(NbSe_4)_3I单晶样品进行了低温下的电输运和振动性质研究.通过实验研究发现,(NbSe_4)_3I在低温下并不存在轴子绝缘态.此外,电输运实验表明(NbSe_4)_3I在T_(C1)=270.4K处发生了第一次结构相变,即P4/mnc (D~6_(4h))→P42_1c (D~4_(2d)).随温度进一步降低,拉曼光谱测试发现在T_(C2)=180K和T_(C3)=110K附近有新峰的出现,分别归因于反铁电(AFE)长程有序相的形成而导致的第二次结构相变以及对称性进一步降低导致的第三次结构相变.值得一提的是,与其他拉曼峰的演化不同,57.4cm~(-1)右侧出现的新峰在T_(C3)以下迅速向高波数移动,发生明显的蓝移,且伴随强度的急剧增强,有可能在低温温度传感器领域有着潜在的应用前景.     

低温下氦-3/氦-4液态混合物相平衡关系

在总结3He-4He混合溶液的相图研究并整理实验数据的基础上,确定了三临界点参数的精确值xt=0.674和Tt=0.867,提出了混合物超流相转变曲线和相分离曲线方程。结合实验数据对方程进行的精度分析表明,除个别实验点外,计算值与实验值百分比误差不超过2%,均在实验测量不确定度以内。通过发展得到的高精度方程绘制了可完整描述饱和蒸气压下3He-4He混合溶液的全局相图。     

氦-3状态方程研究进展第二部分:正常液相区和气体区以及全区间状态方程

宽温度和压力范围的3He详细热力性质数据对进行极低温基础科学研究和制冷特性研究是至关重要的.但至今尚缺乏一个热力学统一的解析形式状态方程,来准确描述1K左右到室温300K大温区的3He热力学性质.在收集和整理各类研究3He热力性质文献的基础上,总结了正常液相区和气体区以及全区间3He状态方程的研究状态,这项工作不仅能为关心3He局部区域性质的研究人员提供总结,而且可为今后开发宽范围的3He热力学状态方程提供参考.     

一般边界条件下球形压力容器钢壁中氚和氦-3的浓度变化规律研究

为了认识储氚高压容器壁材料的力学性能变化及其导致的容器承载能力变化, 必须研究储氚期间, 容器壁中氚和氦-3浓度的空间分布和随时间的变化. 针对容器外表面为一般传质边界条件和容器内部氚为范德瓦尔斯气体的情况, 同时考虑容器腔内和容器壁中氚的衰变和扩散, 建立求解储氚高压容器壁中氚和氦-3浓度的解析理论模型, 导出了氚和氦-3浓度的理论公式. 通过解析计算给出了器壁中氚和氦-3浓度随外表面传质系数的变化曲线和浓度的时空变化曲线, 提出了氦-3浓度的2β ₁ + β ₂ / 2倍定律, 即处于开放空间的储氚球形高压容器, 器壁中氦-3的浓度呈内高外低的分布, 时间越长, 浓度沿径向的梯度越大, 在时间足够长时, 各处浓度逼近时间无限长时的最终值, 也就是各处的最大值, 内表面处的最大值是该处氚初始时刻浓度的2β ₁ + β ₂ / 2倍, 这里β ₁ 和β ₂ 为与氚的范德瓦尔斯常数相关的参数. 研究结果为储氚高压容器的强度安全性评估提供了前提.     

About the nature of <Superscript>3</Superscript>He isotope content increase in the region of 2.223 MeV gamma line generation in the period of solar flare

The intense solar flare on January 20, 2005 is studied based on the SONG-D/AVSF/ KORONAS-F data. The data on time profiles of the 2.223 MeV neutron line and narrow nuclear lines are involved in the analysis. Model calculations of neutrons propagating from their generation region in the corona to the neutron line formation region in the lower chromosphere and photosphere are performed. Coulomb energy losses of helium-3 ions in the case of their allowed acceleration in the flare are calculated. The increase in the relative ³He concentration during the flare is numerically analyzed. The study performed in combination with independent data on the helium-3 content in the flare region and helium-3 fluxes in interplanetary space lead to the conclusion that the acceleration region is the most probable immediate source of the increased content of accelerated helium-3 isotope ions.     

Normal Liquid Helium-3 in the Static Fluctuation Approximation

In this paper normal liquid helium-3 is studied for the first time within the framework of the so-called static fluctuation approximation. This is based on the replacement of the square of the local-field operator with its mean value. A closed set of nonlinear integral equations is derived for neutral many-fermionic systems. This set is solved numerically by an iteration method for a realistic interhelium potential. The thermodynamic properties are then obtained for normal liquid helium-3. The quadratic-fluctuation approximation is found to be valid for this system in the low-temperature limit (0.25 K). Our results are presented in a set of figures. The role of the interaction is emphasized, and the functional dependence on the temperature of key thermodynamic quantities is derived for normal liquid helium-3.     

利用量子对应态原理预测氦-3 p-v-T性质

利用量子对应态原理与Ne,4He的实验数据预测了3He的p-v-T性质。结果表明,在12-20K温区内,压力的计算值与Gibbons实验数据的平均相对误差是2.008%,最大误差是9.131%;在20-60K温区内,压力的计算值与Gibbons实验数据的平均相对误差是1.692%,最大误差是2.276%。获得了比较满意的预测结果。     

Superfluidity of helium-3

This article presents a phenomenological dynamic phase transition theory-modeling and analysis-for liquid helium-3. We derived two new models, for liquid helium-3 with or without applied field, by introducing three wave functions and using a unified dynamical Ginzburg-Landau model. The analysis of these new models leads to predictions of existence of (1) a metastable region, (2) a new phase C in a narrow region, and (3) switch points of transition types on the coexistence curves near two triple points. It is hoped that these predictions will be useful for designing better physical experiments and lead to better understanding of the physical mechanism of superfluidity.     

Helium-3 adsorption refrigerator cooled with a closed-cycle cryocooler

A helium-3 adsorption refrigerator cooled with a pulse-tube cryocooler is developed. The refrigerator has two stages of adsorption pumping. The first stage is designed for the condensing and pumping of helium-4, whose cooling capacity is used for the condensation of helium-3. The second stage is designed for pumping helium-3. The final temperature reached by the refrigerator is 0.305 K. This temperature is retained for at least 24 h. The time required for helium recondensation and the obtainment of low temperature is 1.5 h. The cryostat is a self-contained instrument, as it contains no external gas-supply pipelines and the working gas is stored directly within the working volume of the refrigerator. The work is performed in the Frank Laboratory of Neutron Physics of the Joint Institute for Nuclear Research.