ÂÍÓÒÐÅÍÍÅÅ ÒÐÅÍÈÅ Â ÊÂÀÐÖÅÂÎÌ ÑÒÅÊËÅ ÏÐÈ ÓÌÅÐÅÍÍÛÕ ÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÀÕ ÓÄÊ 539.67:621.315.592

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
(ìåäü–êîíñòàíòàí) 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 24–25, 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 5–10, 1998, San Francisco, Proceeding,
D3. Ð. 36.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 19.01.99