CC BY
54
Я. Клямут, 2007
УДК 621.318.1:620.18
Т. Палевски, Я. Цвик, Я. Клямут
ИССЛЕДОВА ТЕЛЬСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
МЕЖДУНАРОДНОЙ ЛАБОРА ТОРИИ СИЛЬНЫХ
МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
(г. ВРОЦЛАВ, ПОЛЬША)
Общая информация о Лаборатории
Международная лаборатория сильных магнитных полей и низких температур, находящаяся в Польше в городе Вроцлав (ул. Гайовицка 95), является международным научным институтом. Она была учреждена в 1968 году по соглашению четырех Академий наук (Болгарской, Польской, ГДР и СССР). В настоящее время действительными членами Лаборатории являются тоже четыре Академии наук: Болгарская, Польская, Российская и Украинская. Кроме них в Лабораторию в качестве ассоциированных членов входят научные учреждения из Великобритании, Молдовы и Германии. Международные группы ученых из стран-участниц Лаборатории, находясь во Вроцлаве в 2-6-недельных командировках, проводят исследования физических свойств твердых тел в сильных магнитных полях при низких температурах. Главные направления научной деятельности Лаборатории определяет ее Международный Ученый Совет, который также утверждает смету расходов, определяет величину членских взносов, рассматривает заявки научных групп, желающих провести исследования в Лаборатории, а также избирает на 3летний срок Председателя Ученого Совета, Директора Лаборатории и его Заместителя. Ученые, приезжающие для проведения исследований в Лаборатории, проживают в расположенных поблизости гостевых комнатах, получают командировочные, имеют право на медицинское обслуживание и могут пользоваться научной базой не только Лаборатории, но и других научных учреждений во Вроцлаве.
1. История учреждения Лаборатории и ее развития
Идея (сформулированная вроцлавскими профессорами Р.С. Ингарденым и В.Тшебятовским) организовать во Вроцлаве международный центр исследований физических свойств материи в сильных магнитных полях при низких температурах была впервые представлена экспертами в области физики твердого тела при низких температурах в 1964 году на совещании представителей стран Восточной Европы, входящих в Совет Экономической Взаимопомощи социалистических стран. В 1965 году на подобном совещании в Дрездене идея эта была одобрена учеными, работающими в области физики твердого тела, которые пришли к выводу, что дальнейшее развитие этой области физики требует использования в исследованиях одновременно низких температур и сильных магнитных полей. Поскольку во Вроцлаве уже тогда был сильный центр физиков-экспериментаторов, которые начали конструирование магнитов, производящих сильные магнитные поля, а кроме того, поблизости от Вроцлава был источник жидкого гелия, позволяющего получать наиболее низкие на то время температуры, решено было (после нескольких лет совещаний), что такая международная лаборатория будет учреждена во Вроцлаве.
Официальной датой учреждения Лаборатории считается 11 мая 1968 года, когда представители четырех Академий наук стран Болгарии, ГДР, Польши и СССР подписали Солашение об учреждении Лаборатории, документ, который до настоящего времени является основой существования и деятельности Лаборатории. Согласно договоренностям польс-кая сторона начала организовать Лабораторию в помещениях на улице Прухника 95 (сейчас это улица Гайовицка). Помещения были получены бесплатно от Института низких температур и структурных исследований ПАН вместе с двумя магнитами типа Биттера, производящими
сильные постоянные магнитные поля напряженностями не превышающими 4 Т и 10 Тл , а также источники постоянного тока для этих магнитов. Кроме того, часть научных кадров была передана из Института в лабораторию. В 70-ые годы, уже собственными силами, были построены два новых биттеровских маг-нита на 14 Тл и до 20 Тл. Был закуплен сверхпроводящий магнит, дающий высокостабильные поля до 15 Тл. Вместе с эстонскими и российскими физиками был сконструирован импульсный магнит, генерирующий кратковременные поля до 47 Тл. Созданный фонд (валютные взносы четырех членов Лаборатории) дал возможность закупить контрольно-измерительную аппаратуру высокого (на то время) класса. Дешевая электроэнергия и дешевый жидкий гелий из Одоланова определили неограниченную работу всего оборудования, что в результате привело к тому, что в 1970-1980 годы, а затем в конце 90-х годов Лаборатория стала одним из лучших центров подобного типа в Европе и занимала 3-4 места в мире.
С 1990 года начата была модернизация Лаборатории, в том числе строительство нового здания, которое закончилось в конце этого десятилетия. Был запущен также новый тирристорный источник постоянного тока мощностью до 34 МВт. В 1998-2004 годы в Лаборатории были построены новые импульсные магниты с большим временем устойчивости импульса поля, что позволяет получать магнитные поля напряженностью до 60 Тл. Закуплен новый сверхпроводящий магнит с напряженностью постоянного магнитного поля до 15 Тл.
Первым директором Лаборатории был проф. В. Тшебятовски, в то время бывший постоянным членом и Председателем ПАН. После его кончины обязанности директора исполнял проф. Б. Сталински действительный член ПАН в 1982-1993 годы, а в настоящее время, начиная с 1993 года, обязанности директора исполняет проф. Я. Клямут, почетный член РАН. Первым Председателем Ученого Совета был выдающийся физик-экспериментатор проф. Н.Е. Алексеевский из Москвы, член-корреспондент РАН; в 1993 году его сменил проф. А.С. Боровик-Романов, действительный член РАН, а после его смерти с 1997 года Председателем Совета стал проф. А.Ф. Андреев, действительный член и Вице-президент РАН.
2. Действующая организационная структура
В течение многих лет деятельность Лаборатории была направлена главным образом на квалифицированное обслуживание ученых, приезжающих во Вроцлав для проведения научных экспериментов. Созданная в начале существования организационная структура Лаборатории, включающая административный отдел, исследовательские лаборатории с научным персоналом, технический отдел с группой электриков, группу конструирования магнитов, обслуживание криогенного оборудования и мастерские, долго не менялась. Сотрудниками Лаборатории не проводились собственные исследования, так как их деятельность была направлена только на обслуживание или на помощь в подготовке и выполнении научных экспериментов ученых, приезжающих в Лабораторию для самостоятельных измерений. Однако с 1993 года было принято решение начать в Лаборатории собственную исследовательскую тематику, и были организованы две самостоятельные исследовательские группы, занимающиеся исследованием свойств магнетиков и сверхпроводников. Работы по обслуживанию научных экспериментов по-прежнему продолжались.
В настоящее время в сотрудниками Лаборатории являются 43 человека, из них 33 человека заняты непосредственно научными исследованиями. Руководителями самостоятельных исследовательских групп являются: проф. В. Суски - группа исследований магнетиков и проф. В.И. Нижанковский - группа исследований сверхпроводников, который руководит также группой конструкторов магнитов. Для ученых, приезжающих во Вроцлав, Лаборатория снимает три квартиры, обеспеченные необходимым домашним оборудованием, в которых одновременно можно устроить до 6-8 человек.
В Лаборатории сейчас существуют следующие отделы и ла-боратории: лаборатория биттеровских магнитов, генерирующих постоянные магнитные поля с напряженностью 10, 15 и 20 Тл; лаборатория сверхпроводящих магнитов, создающих постоянные поля до 15 Тл; лаборатория магнитов, создающих импульсные поля до 60 Тл с большой продолжительностью импульса (приблизительно 1 секунда); лаборатория импульсного магнита (продолжительность импульса около 1/100 секунды) с максимальным полем 42 Тл; отдел конструирования биттеровских и импульсных магнитов;
мастерская измерений вос-приимчивости и намагниченности в постоянных полях до 1 Тл; отдел измерений ферроэлектриков; отдел высокотемпературных синтезов.
Таблица 1
Характеристики магнитов Лаборатории
Тип магнита Измерительны й диаметр [мм] Максимальная напряженность поля [Тл] Однородность поля в измерительном пространстве Длительность импульса магнитного поля [мс]
ВМ1 43 10 110-3
ВМ2 35 14 110-3
ВМ3 25 20 610-3
SCM1 50 6
SCM2 20 15
SCM3 30(50) 15
МРМ1 25 40 100
МРМ2 25 55 100
SPM 18 - 10 47 - 42 10 - 35
3. Техническая база и исследовательские возможности Лаборатории
Лаборатория занимается исследованиями физических свойств (магнитных, электрических и теплофизических, а также оптических) твердых тел в сильных магнитных полях при температурах от 2.5 К до 300 К. В некоторых экспериментах возможно использование 3Не и снижение начальной температуры до ~1 К. В экспериментах используются и постоянные и импульсные сильные магнитные поля. Постоянные поля создаются в магнитах типа Биттера, обозначаемых далее как ВМ и сверхпроводящие магниты, обозначаемые далее SCM. Импульсные поля, создаваемые в катушках из проволоки или полосового металла (материалом является чистая медь (проволока) или медь, армированная ниобием (полоса)), характеризуются продолжительностью импульса в доли секунды (МРМ) или милисекунды ^РМ). В табл. 1 показаны основные характеристики вышеуказанных магнитов.
Следует добавить, что и магниты типа Биттера (ВМ) и магниты, генерирующие импульсные поля (МРМ и SPM), были сконструированы учеными и техническими сотрудниками Лаборатории. Для питания магнитов ВМ используется постоянный электрический ток, получаемый от генераторов постоянного тока; магниты типа SCM снабжаются от специальных источников небольшой мощности, магниты МРМ от тиристорного источника, а магнит SPM - от батареи конденсаторов. Харак-Таблица2
Технические данные источников питания магнитов
Тип питания Мощность Напряжение Емкость
[МВт] [В] [Ф]
Г енераторы постоянного тока 5.5 450-500
Тиристорный усилитель 34 680
Батарея конденсаторов 7.2 3000 0,015
Усилители сверхпроводящих 610-4 5
магнитов
теристики электрических источников питания показаны в табл. 2. Годовое потребление электроэнергии в Лаборатории - 500-600 МВтчас, из чего большую часть потребляют магниты типа Биттера.
Для охлаждения магнитов ВМ используется вода двойной циркуляции. Магниты охлаждаются деминерализованной водой, которая охлаждается обычной водой из артезианских колодцев. Сверхпроводящие и импульсные магниты охлаждаются сжиженными газами, первые -жидким азотом и гелием, а вторые - жидким азотом. Кроме того, жидкий азот и гелий используются в измерительных криостатах. В среднем расход этих газов в год - 12-15 тыс. литров жидкого гелия и 30-40 т жидкого азота.
Магниты ВМ применяются главным образом для измерений намагниченности и петли гистерезиса исследуемых образцов с использованием либо индукционных, либо вибрационных магнетометров. Пользуясь соответствующими вставками можно проводить измерения магнитосопротивления образцов. Подобные измерения можно также выполнять, используя
сверхпроводящие магниты. Кроме того, эти магниты можно использовать для измерения сложных электрических (эффекта Шубникова де Гааза) или магнитных (эффект де Гааза ван Альфена) величин, а также таких свойств как магнитооптические (эффект Керра) и магнитоупругие (магнитострикция).
Импульсные магниты используются для измерений намагниченности и магнитосопротивления в более высоких полях, чем достигаемые с помощью магнитов, генерирующих постоянные магнитные поля; с использованием импульсного магнита МРМ так же возможны некоторые магнитооптические измерения. Часть вставок, применяемых для крепления монокристал-лических образцов, дает возможность поворачивать образец, что особенно важно при исследовании анизотропии физических свойств.
Услугами Лаборатории могут пользоваться научные сотрудники из стран, Академии наук которых являются членами Лаборатории, а также сотрудники из тех научных учреждений, которые являются ее ассоциированными членами. Направляя запрос по электронному адресу: intlab@,alpha. ml. pan.wroc. pl, лица заинтересованные в пользовании экспериментальной базой МЛ, могут получить более подробную информацию. Заявки на утверждение исследовательского проекта (соответствующую анкету можно получить по электронной почте) рассматриваются и утверждаются на заседании ученого Совета Лаборатории один раз в год, однако возможно принятие заявки Дирекцией Лаборатории, в виде исключения, и в другое время.
4. Важнейшие научно-исследовательские достижения
За 30 лет существования Лаборатории ее научные достижения - это свыше 1200 научных статей, опубликованных по итогам экспериментов, проводимых учеными из стран, Академии наук или научные учреждения которых были или являются членами Лаборатории. Следует подчеркнуть, что количество научных представлений за последние 10 лет выросло по сравнению с предыдущим периодом и значительно превышает 50 единиц в год. За последние 5 лет число ежегодных научных представлений (публикации и доклады) находится в пределах 66-97 (см. табл. 3). Ниже рассмотрены некоторые достижения за период 2001-2005 годов.
2001 год: Конструирование и создание нового квази-импульсного магнита, генерирующего поля до 40 Тл; окончание исследований монокристаллических соединений лантанидов с железом и титаном (HoFeiTi) и их гидридов (HoFeiTiH); исследования электрических свойств в сильных магнитных полях тонкослойных гетероструктур на основе GaAs.
2002 год: Окончание исследования ряда монокристаллических соединений типа Ln3M (Ln = редкоземельный металл; М = Со или Ni); усовершенствование метода измерения критических токов керамических сверхпроводников в магнитных полях свыше 20 Тл; исследования синтетических опалов, содержащих
Таблица 3
Данные о представлениях научных результатов Международной лаборатории за 2001-2005 годы
Год Число научных представлений Число Число
Общее число Статьи Материалы конференций разрабатываемых научных тем диссертации
2001 71 58(47*) 13 3б(35**)и б***
2002 83 52(42*) 31 45(33**)и 3*** Докторская диссертация Докторская
2003 66 49 17 45(38**)и б*** диссертация (МГУ, Россия) Кандидатская диссертация (Украина)
2004 97 (19 в печати) б0 37 49(33**)
2005 71 43 28 59(48**)
*Число публикаций в изданиях из филадельфийского списка.
**Число научных тем, разрабатываемых в рамках международного сотрудничества.
***Число научных тем, связанных с исследованиями в сильных магнитных полях.
атомы металла или полуметалла (возможность исследования электрических свойств групп атомов металлов в виде отдельных кластеров, которые являются промежуточным объектом между обычным металлом и его разбавленным раствором).
2003 год: Опубликованы три монографии в серии Ландольта-Борнштейна, авторами
которых были два сотрудника Лаборатории; закуплен новый сверхпроводящий магнит с максимальным полем до 15 Тл; сконструирован новый магнит, создающий квази-импульсные поля с напряженностью до 55 Тл.
2004 год: Проведены два конкурса - на проектирование конструкций новых
исследовательских установок и на должность молодого научного сотрудника Лаборатории; реализован цикл исследований структурных, магнитных, электрических и теплофизических свойств твердых растворов Но№2 с немагнитными соединениями ^с№2, YNi2, LaNi2 и LuNi2); окончание исследований металлических соединений со структурой типа ^Мп12; создан уникальный комплекс для проведения магнитооптических исследований, позволяющих регистрировать излучение, проходящее или отраженное от образца в квази-постоянном поле в пределах 300-900 пт.
2005 год: Исследовано влияние магнитного поля на вязкость нефти; сконструированы
вставки к новому сверхпроводящему магниту, позволяющие измерять магнитные и транспортные свойства; создан стенд для измерения магнитострикции (методами тензометрических датчиков или прецизионного конденсатора) монокристаллов с использованием нового сверхпроводящего магнита.
Таким образом, в статье представлена информация об истории создания Международной лаборатории сильных магнитных полей и низких температур (Польша, г. Вроцлав), о ее деятельности и возможностях для проведения физических исследований.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Палевски Т. - профессор, заместитель директора,
Цвик Я. - доктор,
Клямут Я. - профессор, директор,
Международная лаборатория сильных магнитных полей и низких температур, Гайовицка 95, 53-421 Вроцлав, Польша.
