Собственное электромагнитное излучение растущего льда

УДК 539.37:537.221

СОБСТВЕННОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ РАСТУЩЕГО ЛЬДА

© А.А. Шибков

Ключевые слова: электромагнитная эмиссия; неравновесная кристаллизация; электромагнитный мониторинг; система лед-вода.

Обнаружена и исследована электромагнитная эмиссия (ЭМЭ), сопровождающая замерзание дистиллированной воды и водных растворов №С1. Сигнал ЭМЭ представляет собой последовательность дискретных импульсов потенциала электрического поля вблизи внешней поверхности системы лед-вода в ходе процесса кристаллизации. Обнаружена корреляция между параметрами эмиссии и кинетикой и морфологией растущего льда и распространением ростовых трещин. Показано, что измерение сигнала ЭМЭ в ходе замерзания разбавленных водных растворов позволяет отображать на временные ряды процесс формирования структур роста на мезоскопическом уровне. Обсуждается связь явления ЭМЭ с эффектом Воркмана - Рейнольдса.

1. Введение

Основной целью данного направления исследования является измерение характеристик электромагнитного излучения в ходе кристаллизации воды и установление их связей с эффектом Воркмана-Рейнольдса -возникновением неравновесной разности потенциалов между твердой и жидкой фазами.

В соответствии с теорией этого эффекта, разработанной сотрудниками Института кристаллографии РАН В.А. Бронштейном и А.А. Черновым, причиной возникновения значительной (до ~ 100 В) межфазной разности потенциалов является формирование вблизи активного фронта кристаллизации двойного электрического слоя, образованного, в основном, примесными ионами. При неравномерном перемещении фронта кристаллизации в условиях его морфологической неустойчивости следует ожидать генерирование сигналов электромагнитной эмиссии, параметры которых должны содержать информацию о динамике и морфологии неравновесного роста льда. Поэтому изучение распределения электромагнитного поля вблизи кристаллизующегося диэлектрика позволит выделить активную межфазную границу как самостоятельный физический объект и исследовать его динамику и электрические свойства.

2. Методика

Объектом исследования служили: пленка воды

толщиной 200 мкм, натянутая на проволочную петлю-

термопару, и проба воды объемом 10 мл, помещенная в прозрачную кювету. Исследовались вариации потенциала электрического поля вблизи поверхности системы лед-вода в ходе кристаллизации. Потенциал поля измерялся с помощью плоского емкостного зонда, который устанавливался параллельно внешней поверхно-

сти системы. В некоторых случаях зонд выполнялся в виде кольца для оптических наблюдений и синхронной видеосъемки через микроскоп растущих кристаллов льда. Электрический канал регистрации состоял из широкополосного предусилителя, аналого-цифрового преобразователя и компьютера.

Обнаружено, что эволюция неравновесных морфологий роста льда сопровождается характерными вариациями потенциала электрического поля ф(Г) - сигналами электромагнитной эмиссии в полосе частот ~10-1-102 Гц (сигналы I типа, рис. 1). Кроме того, обнаружены дискретные сигналы ЭМЭ в полосе частот ~ 103-106 Гц (сигналы II типа), вызванные вторичными явлениями, сопутствующими процессу кристаллизации -развитием ростовых трещин, отслаиванием от стенок кюветы и т. д. Сигналы II типа наблюдаются и после окончания кристаллизации в течение времени тепловой релаксации ледяного образца.

3. Электромагнитная эмиссия при множественной кристаллизации воды

Для исследования связи параметров электромагнитных сигналов с кинетикой массовой кристаллизации замораживали трехмерную пробу воды объемом 10 мл в стеклянной кювете, которая устанавливалась в морозильной камере при температуре -5 °С. Визуальные наблюдения показывают, что кристаллизация воды происходит, в основном, за счет гетерогенного зарождения иглообразных кристаллов льда, растущих от стенок сосуда к его центру и, «сталкиваясь», формирующих игольчатую структуру поликристаллического льда. Обнаружено, что кристаллизация сопровождается генерированием более тысячи импульсов ЭМЭ. Эти импульсы имеют почти треугольную форму с длительностью переднего фронта г^г, амплитудой фт и временем спада т.

Все зарегистрированные импульсы разделяются на две характерные группы: импульсы Ьго типа с ~10 мс, т = 50 мс и импульсы П-го типа с ~ 13 мкс, т ~ 10-100 мкс. Обнаружено, что генерирование серии однополярных (положительных) импульсов I типа сопровождает весь процесс кристаллизации. Импульсы с амплитудами 20-50 мкВ генерируются непосредственно от роста первых ледяных игл длиной около 1 мм на поверхности воды в начале кристаллизации. Серия импульсов !-го типа, как обнаружено,

Рис. 1. Типичные формы кристаллов льда, растущих в дистиллированной воде при различных уровнях исходного переохлаждения и соответствующие сигналы ЭМЭ I типа: а) фрагмент густой ветвистой структуры, АТ = 0,3 К; б) дендрит, АТ = 1,5 К; в) фрагмент смешанной структуры, содержащей иглы, дендриты и густую ветвистую структуру роста льда, АТ = 4 К; г) игольчатая структура, АТ = 7 К; д) пластина, АТ = 16-30 К. Здесь Ур(?) - временная зависимость объема пластины (1), ф (?) - форма фронта импульса ЭМЭ (2) при росте пластины льда

похожа на типичный сигнал ЭМЭ, генерируемый в ходе эволюции иглообразной структуры растущего льда в пленке переохлажденной дистиллированной воды (рис. 1г). Импульсы П-го типа, имеющие различную полярность, в основном, генерировались на последней стадии кристаллизации и после ее завершения.

Наблюдения показывают, что эти импульсы возникают одновременно с появлением видимых трещин в растущем льде.

Установлено, что время спада т всех импульсов Ьго типа почти одинаково и соизмеримо с максвелловским временем релаксации во льду в области низких частот.

Рис. 2. Корреляция между сигналом ЭМЭ I типа и кинетической кривой кристаллизации: 1 - первообразная ^(Г) дискретной составляющей сигнала ЭМЭ, содержащей импульсы I типа; 2 - временная зависимость безразмерного объема растущего льда: Е, = У/У, где У\ - объем льда, У - объем системы лед-вода; 3 - функция распределения Колмогорова - Вейбула для массовой 3Э кристаллизации: ^(Г) = 1 - ехр[-(Г/Т)3], где Т = 833 с

Можно предположить, что стадия роста электрического сигнала ф

зависит от динамики сторонней электродвижущей силы, разделяющей заряды в ходе кристаллизации, а время спада т характеризует процесс релаксации заряда вследствие проводимости системы лед-вода. Поэтому дискретные импульсы 1-го типа возникают вследствие внутреннего дифференцирования некоторой электродвижущей силы Ц)(ї) = т-1 /0£ ф(р')йР с постоянной времени тл. Эта сила характеризует кинетику межфаз-ного разделения заряда при кристаллизации воды.

Кривая у(ґ) имеет вид ступенчатой функции (рис. 2), а форма огибающей ступеней хорошо согласуется с измеренной временной зависимостью доли твердой фазы ^(ґ) и с распределением Колмогорова - Вейбула ^(ґ) = 1 - ехр[-(ґ/т0/], где d и т0 - параметры. Обнаруженная корреляция между у(ґ) и объемом твердой фазы ^(ґ) позволяет сделать следующие утверждения: 1) кривая ^(ґ), характеризующая кинетику фазового перехода, имеет ступенчатую форму подобно эффекту Савара - Массона при деформировании льда и ряда других материалов или эффекту Баркгаузена при намагничивании ферромагнетиков; 2) количество ступеней равно полному количеству импульсов ЭМЭ 1-го типа; 3) ступени на кривой превращения обусловлены скачкообразным характером процесса кристаллизации на мезоскопическом структурном уровне, связанным с зарождением и ростом иглообразных кристаллов, их взаимодействием друг с другом и со стенками сосуда.

4. Связь явления ЭМЭ с эффектом Воркмана - Рейнольдса

Для исследования взаимосвязи между генерированием сигналов ЭМЭ и эффектом Воркмана - Рейнольд-

са измерялись электрические сигналы в ходе роста пластины из разбавленных водных растворов ЫаС1. Зависимости амплитуды фт импульса ЭМЭ, генерируемого в ходе роста пластины и потенциала замерзания и, от концентрации С0 этой соли в воде представлены на рис. 3. Видно, что существует подобие этих зависимостей и максимум зависимости фт (С0) приблизительно совпадает с максимумом зависимости и(С0) = 1,5-10-4 и 2,5-Ю-4 моль/л соответственно. Однако существует различие в склонах этих зависимостей при С0 > 3-10-4 моль/л.

В соответствии с моделью Бронштейна - Чернова уменьшение потенциала замерзания раствора ЫаС1 при С0 > 2,5-10-4 моль/л вызвано уменьшением мощности ДЭС на фронте кристаллизации из-за роста примесной проводимости. Более крутой склон зависимости фт(С0) при больших концентрациях вызван и уменьшением мощности двойного электрического слоя и, кроме того, уменьшением максвелловского времени релаксации системы лед-вода в области низких частот, также вследствие роста примесной проводимости. Полученные результаты доказывают связь между явлением электромагнитной эмиссии и эффектом Воркмана -Рейнольдса при кристаллизации водного раствора ЫаС1: амплитуда импульса ЭМЭ пропорциональна потенциалу замерзания в концентрационном интервале 4-10-5 - 4-10-4 моль/л.

Таким образом, установлено, что кристаллизация разбавленного водного раствора электролита в интервале переохлаждений 0,3 < АТ < 30 К сопровождается генерированием дискретной ЭМЭ в виде последовательности импульсов потенциала нестационарного электрического поля вблизи внешней поверхности кристаллизирующегося раствора. Установлена взаимосвязь между параметрами импульсов ЭМЭ и кинетикой: а) множественной кристаллизации, б) роста отдельного кристалла.

Следует отметить, что неравновесная межфазная разность потенциалов возникает при кристаллизации

Рис. 3. Амплитуда фт импульса ЭМЭ (1), вызванного ростом пластины льда в разбавленном водном растворе №С1 при АТ = 18 К, и потенциал замерзания и (2) как функции концентрации Л[0 соли №С1 в воде

широкого класса диэлектрических материалов, поэтому обнаруженная корреляция между дискретной электромагнитной эмиссией и кинетикой и морфологией неравновесного роста, как представляется, имеет универсальный характер и может быть основой нового электромагнитного метода исследования in situ кинетики кристаллизации диэлектриков.

5. Выводы

1. Обнаружено, что процесс формирования поли-кристаллического льда в ходе множественной кристаллизации сопровождается генерированием электромагнитного излучения. С помощью синхронной регистрации сигналов ЭМЭ и видеофильмирования процесса кристаллизации обнаружено, что все регистрируемые сигналы ЭМЭ можно разбить на две характерные группы: сигналы I типа в полосе частот 10-1-102 Гц, связанные с формированием ледяных зерен, их столкновением, образованием боковых ветвей и т. д., и сигналы II типа в полосе частот 103-106 Гц, вызванные вторичными процессами, сопутствующими процессу кристаллизации - развитием ростовых трещин, трением, отслаиванием от стенок кюветы и т. д.

2. Составлен «альбом» ЭМЭ-отображений неравновесной кристаллизации. Обнаружено, что формирование определенного морфологического типа структуры неравновесного роста льда сопровождается генерированием характерного сигнала электромагнитной эмиссии, носящего импульсный характер, который надежно идентифицирует каждую структуру.

3. Обнаружено, что форма фронта сигнала ЭМЭ, генерируемого при росте отдельного кристалла (пластины), коррелирует с кинетической кривой фазового перехода, т. е. временной зависимостью объема растущего кристалла, а величина сигнала пропорциональна произведению объема льда на межфазную разность потенциалов, что непосредственно свидетельствует о связи явления генерирования сигнала ЭМЭ с эффектом Воркмана - Рейнольдса. Этот вывод может быть использован для бесконтактного определения потенциала замерзания водных растворов при больших степенях переохлаждения, где применение других методов затруднительно или невозможно, а также для измерения объема твердой фазы непосредственно в ходе кристаллизации.

Поступила в редакцию 3 июня 2009 г.

Shibkov A.A. Intrinsic electromagnetic radiation of growing ice. The electromagnetic emission (EME) accompanying freezing of distilled water and dilute aqueous NaCl solutions is revealed and investigated. The EME signal is a sequence of discrete pulses of the electric field potential in the vicinity of the outward surface of ice-water system during the crystallization process. We found correlation between parameters of emission and kinetics and morphology of growing ice and propagation of the growing-induced cracks. It is shown that measurements of an EME signal during the freezing of dilute aqueous solutions allow mapping of the mesoscopic-level patterning to the time series. The relationship between phenomenon of the EME and the Workman - Reynolds effect is discussed.

Key words: electromagnetic emission; nonequelibrium crystallization; ice-water system; electromagnetic monitoring.