4.7.4. Марганцевый пленочный термометр сопротивления

Область низких температур в диапазоне ниже 20 К, так называемая область гелиевых температур, является традиционно сложной для измерений. Чистые металлы используются для изготовления низкотемпературных термометров. Обычно это платина. Однако при температуре 20 К ТКС платины составляет 1/50 его значения при комнатной температуре. Как правило, для измерений в этой области используют полупроводниковые термометры: угольные, германиевые, диоды из арсенида галлия и т.д. Главным недостатком этих термометров является сложная зависимость их сопротивления от температуры.

В 1966 г. Меаден опубликовал результаты исследования –марганца в качестве термометрического материала для области низких температур. Оказалось, что резистор из чистого, отожженного –марганца обладает высокой чувствительностью в диапазоне температур 2–30 К.

Для металла существенными считаются пластичность и способность поддаваться обработке; –марганец не отвечает этим критериям, он твердый и хрупкий и его нельзя получить в виде проволоки. Его кристаллическая структура представляет собой куб. Обычно металл существует в виде зерен длиной 30–50 мм, что обусловлено технологией его получения электролитическим путем. Зерна марганца хрупкие, их трудно обрабатывать и получать изготовленные из них образцы. Образцы из марганца высокой чистоты (показатель чистоты 99.995 %) длиной 40 мм и сечением 0.5 мм² имели четко выраженную зависимость сопротивления от температуры R = f(Т) и большую чувствительность (~ 1 Ом / К) в диапазоне температур 2–30 К. Меаден обнаружил, что закон Т² для самых чистых образцов действовал до температуры 14 К, для менее чистых образцов – до 20 К. При дальнейшем повышении температуры чувствительность уменьшается. Температура 63 К представляет собой верхний предел пригодности применения –марганцевого термометра. Зависимость удельного сопротивления марганца от температуры  = f(Т), полученная Меаденом приведена на рис. 4.23. Меаден приводил данные о том, что влияние магнитного поля на удельное сопротивление образца марганца при температурах гелия мало по сравнению, например, с высокочистой медью и, более того, практически воспроизводимо.

С учетом разработок Меадена был создан пленочный –марганцевый термометр [9].

Рис.4.23. Зависимость удельного сопротивления марганца

от температуры

Конструкция марганцевого ЧЭ показана на рис.4.24. На подложку 1 наносится изоляционный слой моноокиси кремния 2, затем меандр марганцевого ЧЭ 3 и защитный слой моноокиси кремния 4 (ЧЭ выполняется по четырехпроводной схеме). Токовыводы 5 (медная проволока диаметром 80 мкм) припаяны к никелевым контактным площадкам 6 припоем ПОС 61. Габаритные размеры ЧЭ – 3.5х3.75 мм и 5х5 мм.

Рис. 4.24. Конструкция марганцевого ЧЭ датчика температуры:

1 – подложка; 2 – моноокись кремния; 3 – меандр; 4 – защитный слой;

5 – токовыводы; 6 – контактные площадки

Разброс величины сопротивления ЧЭ в жидком гелии с одной пластины колеблется от 8 до 15 % номинала, сопротивление ЧЭ от 25 до 300 Ом при комнатной температуре в зависимости от толщины слоя марганца. На рис. 4.25 показана зависимость сопротивления марганцевых ЧЭ от температуры R=f(Т).

Рис. 4.25. Зависимость сопротивления марганцевого ЧЭ

от температуры

Чувствительные элементы, имеющие меньшую величину сопротивления (толщина напыленного слоя марганца более 1 мкм), обладают лучшей воспроизводимостью градуировочной характеристики. Коэффициент термической инерции ЧЭ в жидком гелии при перепаде температур ~ 15 К не более 0.12 с. При величине рабочего тока через ЧЭ ~ 1 мА величина перегрева ЧЭ в жидком гелии не превышает 0.005 К.

Таким образом, на основе марганцевых пленочных ЧЭ разработаны поверхностные и средовые термометры для диапазона температур 4.2...30 К, обладающие в этой области более высокой чувствительностью, чем металлические термометры и термопары. Зависимость сопротивления марганцевых ЧЭ в диапазоне температур 4.2...30 К близка к линейной и возможна их градуировка по двум точкам – кипения жидкого гелия и водорода.

4.7.5. Теплоприемник ФКБ

Теплоприемник ФКБ предназначен для измерения плотности конвективного теплового потока, поступающего в тепловоспринимающую поверхность теплоприемника.

Теплоприемник рассчитан на работу в условиях изменения температуры окружающей среды от –52 до + 89 С, изменения давления окружающей среды от 1.3·10^-3 до 110⁶ Па и относительной влажности воздуха от 45 до 80 %.

Диапазон измеряемой плотности конвективного теплового потока от 0 до 4000 кВт/м². Интегральная плотность измеряемых тепловых потоков не должна превышать 740 кДж/м².

Показатель термической инерции не превышает 10^-3 с.

Сопротивление электрической цепи теплоприемника при температуре (203) С должно быть (1000100) Ом.

Сопротивление изоляции между тепловоспринимающим элементом (ТВЭ) и корпусом должно быть не менее 20 МОм при напряжении 100 В в нормальных условиях.

ТВЭ выполнен в форме параллелепипеда толщиной (0.150.01) мм из кремния марки ЭКЭФ 4.5–8б по ГОСТ 19658–81, имеющего линейную зависимость сопротивления от температуры в рабочей области. К алюминиевым контактным площадкам ТВЭ ультразвуковой сваркой присоединены выводы из золотой проволоки 50 мкм. Для устранения нестабильного перехода металл – полупроводник под контактными площадками методом ионной имплантации введен фосфор.

Корпус 1 (рис. 4.26) представляет собой цилиндр из меди М1–Д–Т ГОСТ 1535 – 71 со сквозным пазом для тепловоспринимающего элемента. Внутренняя полость корпуса после установки ТВЭ заполняется клеем К–400.

Принцип действия теплоприемника основан на преобразовании теплового потока, поступающего через тепловоспринимающую поверхность термически изолированного ТВЭ с известными геометрическими размерами и теплоемкостью.

Величина плотности теплового потока определяется путем графического дифференцирования кривой нагрева ТВЭ во времени.

Взаимосвязь скорости изменения температуры и теплового потока определяется выражением

где q() – плотность конвективного теплового потока, кВт/м²; с_t· _t – эффективное значение произведения теплоемкости и плотности материалов ТВЭ и токовыводов, КДж/м³; h – толщина ТВЭ, м; t – температура ТВЭ в момент времени , С.

Рис. 4.26. Конструкция теплоприемника ФКБ:

1 – корпус; 2 – ТВЭ; 3 – вкладыш; 4 – провод МС 16–13; 5 – нитки "Экстра"

Изменение температуры ТВЭ определяется по изменению его омического сопротивления.