ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 2. ÕÈÌÈß. 2000. Ò. 41. ¹ 2 93 ÓÄÊ 539.67:621.315.592 ÂÍÓÒÐÅÍÍÅÅ ÒÐÅÍÈÅ Â ÊÂÀÐÖÅÂÎÌ ÑÒÅÊËÅ ÏÐÈ ÓÌÅÐÅÍÍÛÕ ÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÀÕ Á. Ñ. Ëóíèí, Ñ. Í. Òîðáèí (êàôåäðà ôèçè÷åñêîé õèìèè)  ðàáîòå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ àêóñòè÷åñêîé äîáðîòíîñòè ïîëóñôåðè÷åñêîãî ðåçîíàòîðà íà ÷àñòîòå 8,4 êÃö â äèàïàçîíå òåìïåðàòóð îò 80 äî 300°. Ìàêñèìóì àêóñòè7 ÷åñêîé äîáðîòíîñòè (5,6⋅⋅10 ) äîñòèãàåòñÿ ïðè òåìïåðàòóðå 105°. Èññëåäîâàíèþ ïðîöåññîâ âíóòðåííåãî òðåíèÿ â êâàðöåâûõ ñòåêëàõ ïîñâÿùåíî áîëüøîå êîëè÷åñòâî ðàáîò [1 6]. Íàèáîëåå ïîäðîáíî âíóòðåííåå òðåíèå èçó÷àëè ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ, êîãäà îíî îïðåäåëÿåòñÿ â îñíîâíîì ñòðóêòóðíîé ðåëàêñàöèåé ÿâëåíèåì, õàðàêòåðíûì äëÿ ñòåêëîîáðàçíîãî ñîñòîÿíèÿ. Çíà÷èòåëüíî ìåíåå èçó÷åíû ïðèðîäà è ìåõàíèçìû âíóòðåííåãî òðåíèÿ ïðè óìåðåííûõ òåìïåðàòóðàõ (îò 100 äî 300°), õîòÿ ýòà òåìïåðàòóðíàÿ îáëàñòü ÿâëÿåòñÿ ðàáî÷åé çîíîé äëÿ áîëüøèíñòâà ñîâðåìåííûõ ïðèáîðîâ, èñïîëüçóþùèõ ìåõàíè÷åñêèå ðåçîíàòîðû èç êâàðöåâîãî ñòåêëà (àâèîíèêà, ýëåìåíòû ãðàâèòàöèîííûõ àíòåíí è ò. ä.), è ïîýòîìó ñ ïðèêëàäíîé òî÷êè çðåíèÿ ïðåäñòàâëÿåò íàèáîëüøèé èíòåðåñ [7]. Óñòàíîâëåíèå ôàêòîðîâ, îïðåäåëÿþùèõ â ýòèõ óñëîâèÿõ àêóñòè÷åñêóþ äîáðîòíîñòü òàêèõ ðåçîíàòîðîâ, ïîçâîëÿåò ïðîãíîçèðîâàòü õàðàêòåðèñòèêè îáîðóäîâàíèÿ, à òàêæå óñîâåðøåíñòâîâàòü òåõíîëîãè÷åñêèå ïðîöåññû ïðè åãî èçãîòîâëåíèè. Êðîìå òîãî èññëåäîâàíèå ìåõàíèçìà àêóñòè÷åñêèõ ïîòåðü ïðè óìåðåííûõ òåìïåðàòóðàõ ìîæåò äàòü èíôîðìàöèþ î ñîñòîÿíèè ïîâåðõíîñòè ñòåêëà è õàðàêòåðå ñòðóêòóðíûõ äåôåêòîâ ìàòåðèàëà, ÷òî ïðåäñòàâëÿåò ôóíäàìåíòàëüíûé íàó÷íûé èíòåðåñ. Öåëü äàííîé ðàáîòû ñîñòîÿëà â ýêñïåðèìåíòàëüíîì èññëåäîâàíèè âíóòðåííåãî òðåíèÿ â ÷èñòîì êâàðöåâîì ñòåêëå ÊÓ-1 â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð îò 80 äî 300°. Äàííûé ñîðò êâàðöåâîãî ñòåêëà (òèï III [8]) èçãîòàâëèâàåòñÿ ïóòåì ãèäðîëèçà òåòðàõëîðèäà êðåìíèÿ â âîäîðîäíî-êèñëîðîäíîì ïëàìåíè è õàðàêòåðèçóåòñÿ âûñîêîé õèìè÷åñêîé ÷èñòîòîé (ñóììàðíàÿ êîíöåíòðàöèÿ ïðèìåñåé, êðîìå ÎÍ-ãðóïï, ~10 ììîëü), îòñóòñòâèåì ìåëêîçåðíèñòîé íåîäíîðîäíîñòè è çíà÷èòåëüíûì ñîäåðæàíèåì ãèäðîêñèëüíûõ ãðóïï (îêîëî 1000 ììîëü). Ðèñ. 1. Êîíñòðóêöèÿ ïîëóñôåðè÷åñêîãî ðåçîíàòîðà. 11 ÂÌÓ, Õèìèÿ, ¹ 2 Ðèñ. 2. Êîíñòðóêöèÿ èçìåðèòåëüíîé ÿ÷åéêè  ýêñïåðèìåíòå ìû èññëåäîâàëè àêóñòè÷åñêóþ äîáðîòíîñòü ïîëóñôåðè÷åñêîãî ðåçîíàòîðà âîëíîâîãî òâåðäîòåëüíîãî ãèðîñêîïà, èçãîòîâëåííîãî èç ýòîãî ñòåêëà ìèàññêèì íàó÷íî-ïðîèçâîäñòâåííûì ïðåäïðèÿòèåì «Ìåäèêîí». Êîíñòðóêòèâíî ïîëóñôåðè÷åñêèé ðåçîíàòîð (ðèñ. 1) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òîíêîñòåííóþ (òîëùèíà îêîëî 1 ìì) ïîëóñôåðè÷åñêóþ îáîëî÷êó 1 äèàìåòðîì 30 ìì ñ êðåïåæíîé íîæêîé 2, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç ïîëþñ ïîëóñôåðû [9]. Áëàãîäàðÿ âûñîêîé ìàññîâîé ñáàëàíñèðîâàííîñòè ïîòåðè ýíåðãèè óïðóãèõ êîëåáàíèé ÷åðåç êðåïåæíóþ íîæêó ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóþò, ÷òî äåëàåò òàêîé ðåçîíàòîð ÷ðåçâû÷àéíî óäîáíûì äëÿ ïðîâåäåíèÿ àêóñòè÷åñêèõ èçìåðåíèé, à âûñîêîå ñîîòíîøåíèå ïîâåðõíîñòü/îáúåì ïîçâîëÿåò èññëåäîâàòü íå òîëüêî àêóñòè÷åñêèå ñâîéñòâà ñàìîãî êâàðöåâîãî ñòåêëà, íî è âëèÿíèå ïîâåðõíîñòè íà äèññèïàöèîííûé ïðîöåññ. ×àñòîòà èçãèáíûõ êîëåáàíèé îáîëî÷êè îïðåäåëÿåòñÿ ìîäîé êîëåáàíèé: â íàøèõ îïûòàõ èñïîëüçîâàëàñü 2-ÿ, íèçøàÿ ìîäà êîëåáàíèé (~8,4 êÃö). Ìåòîäèêà ýêñïåðèìåíòà áûëà àíàëîãè÷íà îïèñàííîé â [10]. Ýêñïåðèìåíò ïðîâîäèëè â âàêóóìíîé òåðìîêàìåðå (ðèñ. 2). Ïîëóñôåðè÷åñêèé ðåçîíàòîð 1 óñòàíàâëèâàëñÿ â êîíóñíîå îòâåðñòèå ïîäñòàâêè 2. Íà ýòîé ïîäñòàâêå ðàñïîëîæåíû äâå ïàðû ýëåêòðîäîâ 3 è 4, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ âîçáóæäåíèÿ è èçìåðåíèÿ èçãèáíûõ êîëåáàíèé ïîëóñôåðè÷åñêîé îáîëî÷êè. Òåðìîïàðà 5 (ìåäüêîíñòàíòàí) ïîçâîëÿåò èçìåðÿòü òåìïåðàòóðó ïîâåðõíîñòè ðåçîíàòîðà. Âñÿ êîíñòðóêöèÿ ðàçìåùàåòñÿ âíóòðè êâàðöåâîé âàêóóìíîé êàìåðû 6, ñíàðóæè êàìåðû óñòàíàâëèâàåòñÿ ýëåêòðîíàãðåâàòåëü èëè õîëîäèëüíèê, îõëàæäàåìûé æèäêèì àçîòîì (7). Íà ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå f âîçáóæäàëèñü èçãèáíûå êîëåáàíèÿ îáîëî÷êè ñ àìïëèòóäîé îêîëî 0,1 ìêì, çàòåì ñ ïîìîùüþ åìêîñòíîãî äàò÷èêà, îáðàçîâàííîãî ïàðîé ýëåêòðîäîâ 4, èçìåðÿëîñü âðåìÿ çàòóõàíèÿ ñâîáîäíûõ êîëåáàíèé τ. Àêóñòè÷åñêóþ äîáðîòíîñòü (Q) ðåçîíàòîðà îïðåäåëÿþò ïî ôîðìóëå Q = π⋅τ⋅f. Òî÷íîñòü îïðåäåëåíèÿ τ (è ñîîòâåò- 94 ÂÅÑÒÍ. ÌÎÑÊ. ÓÍ-ÒÀ. ÑÅÐ. 2. ÕÈÌÈß. 2000. Ò. 41. ¹ 2 Ðèñ. 3. Äîáðîòíîñòü ïîëóñôåðè÷åñêîãî ðåçîíàòîðà â äèàïàçîíå òåìïåðàòóð îò 80 äî 300° ñòâåííî Q) ñîñòàâëÿëà îêîëî 3%. Òåìïåðàòóðà ðåçîíàòîðà ðàññ÷èòûâàëàñü ïî åãî ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå íà îñíîâàíèè ïðåäâàðèòåëüíî èçìåðåííîé òåìïåðàòóðíî-÷àñòîòíîé õà- ðàêòåðèñòèêè ðåçîíàòîðà. Òî÷íîñòü îïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ïðè ýòîì ñîñòàâëÿëà îêîëî 3°. Ïåðåä èçìåðåíèÿìè ðåçîíàòîð ïîäâåðãàëñÿ ñïåöèàëüíîé õèìè÷åñêîé îáðàáîòêå äëÿ óäàëåíèÿ íàðóøåííîãî ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ, âîçíèêàþùåãî â ïðîöåññå èçãîòîâëåíèÿ ðåçîíàòîðà, à òàêæå òåðìîîáðàáîòêå äëÿ óäàëåíèÿ àòìîñôåðíîé âîäû, ñîðáèðîâàííîé ïîâåðõíîñòüþ [11]. Íà ðèñ. 3 ïîêàçàíû ïîëó÷åííûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ àêóñòè÷åñêîé äîáðîòíîñòè. Õîðîøî âèäíî, ÷òî ìàêñèìóì àêóñòè÷åñêîé äîáðîòíîñòè äîñòèãàåòñÿ ïðè 7 òåìïåðàòóðå 105° è ñîñòàâëÿåò 5,6⋅10 . Ðîñò âíóòðåííåãî òðåíèÿ ïðè áîëåå íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ ñâÿçàí, î÷åâèäíî, ñ ïðîöåññîì ñòðóêòóðíîé ðåëàêñàöèè, ýòî âûñîêîòåìïåðàòóðíîå êðûëî ïèêà âíóòðåííåãî òðåíèÿ ñ ìàêñèìóìîì ïðè òåìïåðàòóðå îêîëî 50 Ê. Ïðèðîäà ïîòåðü âíóòðåííåãî òðåíèÿ ñïðàâà îò ìàêñèìóìà äîáðîòíîñòè íåî÷åâèäíà. Çäåñü âëèÿþùèìè ôàêòîðàìè ìîãóò áûòü ïðèìåñè, ïîâåðõíîñòíûå è îáúåìíûå ñòðóêòóðíûå äåôåêòû, ñòðóêòóðíàÿ âîäà, à òàêæå âûñîêîòåìïåðàòóðíûé ôîí. Ýòà îáëàñòü ïðîäîëæàåò îñòàâàòüñÿ îáúåêòîì äàëüíåéøèõ èññëåäîâàíèé. Àâòîðû âûðàæàþò áëàãîäàðíîñòü Á. Ï. Áîäóíîâó, äèðåêòîðó ÍÏÏ «Ìåäèêîí» (Ìèàññ), çà ïðåäîñòàâëåííûé äëÿ èññëåäîâàíèé ïîëóñôåðè÷åñêèé ðåçîíàòîð. ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ 1. Anderson O.L., Bommel H.E.// J. Amer. Ceram. Soc. 1955. 38. Ð. 125. 2. Fine M.E., Duyne H.V., Kenney N.T. // J. Applied Physics. 1954. 25. Ð. 402. 3. Marx J.W., Sivertsen J.M. // J. Ap. Phys. 1953. 24. Ð. 81. 4. Anderson W.P., Halperin B.I., Varma C.M. // Phyl. Mag. 25. 1972. Ð. 1. 5. Hunklinger S., Arnold W., Stein St., Nava R., Dransfeld K. // Phys. Let. 1972. 42A. Ð. 253. 6. Fraser D.B. //J. Ap. Phys. 1970. 41. Ð. 6. 7. Startin W.J., Beilby M.A., Saulson P.R. //Rev. Scientific Instruments. 1998. 69. Ð. 3681. 8. Bruckner R. //J. Non-Cryst. Solids. 1970. 5. Ð. 123. 9. Bodunov B.P., Lopatin V.M., Lunin B.S. // 2nd Saint Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, May 2425, 1995. Saint Petersburg, 1995, part II, Ð. 89. 10. Lunin B.S., Torbin S.N., Danchevskaya M.N., Batov I.V. // Moscow University Chemistry Bulletin. 1994. 49. Ð. 19. 11. Lunin B.S., Torbin S.N., Smirnov V.N. //XVIII International Congress on Glass, July 510, 1998, San Francisco, Proceeding, D3. Ð. 36. Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 19.01.99