12. Особенности низкотемпературной термометрии.

Криогенная техника по решению XIII Международной конференции по холоду охватывает диапазон температур от 0 до 120 К (от -273,16 до -153,16°С). Температуры от 120 до ЗООК относятся к холодильной технике. Чем ниже температура, тем труднее ее воспроизвести и измерить с требуе­мой точностью. По мере развития техники совершенствуются методы дос­тижения и измерения как очень низких, так и очень высоких температур. В зависимости от метода воспроизведения и диапазона температур ГОСТ 8.157-75 устанавливает шесть практических температурных шкал:

0.01.. .0.8К - температурная шкала термометра магнитной восприим­чивости (ТШТМВ), основанная на зависимости магнитной восприимчиво­сти термометра из церий — магниевого нитрата от температуры;

0,8... 1,5К - температурная шкала ³Не 1962 г. (³Не -62), основанная на зависимости давления насыщенных паров изотопа гелия-3 от температуры;

1,5...4,2К - температурная шкала ⁴Не 1958 г. (⁴Не - 58), основанная на зависимости давления изотопа гелия-4 от температуры;

4,2... 13,81К — температурная шкала германиевого термометра сопро­тивления (ТШГТС), основанная на зависимости электрического сопротив­ления германиевого термопреобразователя от температуры;

13,81...6300К - международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68), основанная на ряде точек фазовых переходов некото­рых чистых веществ;

6300...100000К - температурная шкала пирометра микроволнового излучения (ТШПМИ), основанная на зависимости спектральной плотности энергии излучения черного тела от температуры в микроволновом диапа­зоне излучения.

Практические температурные шкалы образуют единую систему тем­пературных шкал, непрерывную от 0,01 до 10⁵К, реализуемых разными ме­тодами. Они установлены так, что измеренные по ним температуры близки к термодинамическим температурам. Наиболее распространенной и изу­ченной является МПТШ-68. Она содержит 12 реперных точек (воспроиз­водимых фазовых переходов) в диапазоне от 13,81 до 1337,58К, таблица 1.

В качестве эталонных приборов для МПТШ-68 применяются: плати­новый преобразователь сопротивления от 13,81 до 903.89К; термоэлектри­ческий преобразователь с электродами из платинородия (10% родия) и платины от 903,89К до 1337.58К. Для температур от 1337,58 до 6300К тем­пературу определяют в соответствии с законом излучения Планка.

Многочисленные исследования выявили заметные отклонения МПТШ-68 от термодинамической шкалы температур при 27К. Кроме того, МПТШ-68 оказалась негладкой между температурами 13,81 и 24.5К. Еще сильнее отличаются от термодинамических температур температурные шкалы ³Не-62 и ⁴Не-58. Поправка в точке кипения гелия составляет 8мК, т.е. 0,008К. Поэтому для температур от 0,5 до ЗОК Международным бюро мер и весов в 1976г. рекомендована Временная практическая температур­ная шкала (В1ГГШ).

Для ускоренного внедрения в практику узаконены четыре метода реализации ВПТШ-76: 1) по термодинамическим интерполяционным при­борам (газовые и магнитные температуры); 2) по реперным точкам (одной или нескольким из тех, которые рекомендованы для этой шкалы); 3) по от­клонению ВПТШ-76 от МПТШ-68 выше 13,81 К и от шкал по упругости паров гелия ниже 5,2К; 4) по отклонению от наиболее воспроизводимых лабораторных шкал. ВПТШ-76 содержит 11 реперных точек:

-точка перехода сверхпроводимости кадмия 0,519К

-точка перехода сверхпроводимости цинка 0,851К

-точка перехода сверхпроводимости алюминия 1,1796К

-точка перехода сверхпроводимости индия 3,4145К

-точка кипения гелия-4 4,2221К

-точка перехода сверхпроводимости свинца 7,1999К

-тройная точка водорода 13.8044К

-точка кипения водорода при давлении 33,ЗЗкПа 17,0373К

-точка кипения водорода при нормальном давлении 20,273 5К

-тройная точка неона 24,5591К

-точка кипения неона 27,102К

В качестве интерполяционных приборов для ВПТШ-76 применяются магнитные и газовые термометры. Магнитные шкалы обладают наиболь­шей термодинамической гладкостью при использовании солей, подчи­няющихся закону Кюри. В газовых термометрах используют две реперные точки на концах температурного интервала. Обычно их градуируют по точкам кипения ⁴Не и равновесного водорода Н₂.

Многообразие температурных шкал обусловлено трудностями вос­произведения эталона единицы температуры в разных ее диапазонах. Для диапазона от 13,81 до 273,15К Государственный эталон единицы темпера­туры включает: платиновые термопреобразователи сопротивления, аппа­ратуру для воспроизведения реперных точек МПТШ-68, криостат сравне­ния и электроизмерительную аппаратуру. Государственный специальный эталон единицы температуры в диапазоне от 4,2 до 13,81 К воспроизводит температурную шкалу, установленную по газовому термометру и нанесен­ную на группу германиевых термометров сопротивления. Для диапазона от 1,5 до 4,2К узаконен эталон температуры, который воспроизводит тем­пературную шкалу, установленную по давлению паров ⁴Не. В состав эта­лона входят гелиевый конденсационный термометр, германиевые термо­метры сопротивления и электроизмерительная аппаратура. На границах диапазонов смежные эталоны единиц температуры совпадают.

Для практического измерения температур в холодильной и криоген­ной технике в той или иной мере подходят все контактные методы, кото­рые основаны на тепловом контакте первичного преобразователя с объек­том измерения. Наиболее распространены методы: теплового расширения, терморезистивный, термоэлектрический. По принципу теплового расши­рения работают дилатометрическиеГбиметаллические, жидкостные стек­лянные и манометрические термометры. При промышленном изготовле­нии они охватывают следующие диапазоны температур:

дилатометрические термометры -3 0... 1000°С

биметаллические термометры -100... 600°С

жидкостные стеклянные термометры, наполнители:

-ртуть -35...750°С

-толуол -90...200°С

-этиловый спирт -80... 70°С

керосин -60...300°

-петролейный эфир -120.. .25°С

-пентан -200...20°С

манометрические термометры жидкостные -50...300°С

манометрические термометры газовые -50.. .600°С

манометрические термометры конденсационные -50.. .200°С.

Терморезистивные термометры с преобразователями из платины рассчитаны на диапазон от —260 до 1100°С, а с преобразователями из меди - на диапазон от -200 до 200°С. Термоэлектрические преобразователи (термопары) охватывают диапазоны температур: медь-копель от -200 до 100°С, хромель-копель от -200 до 600°С, хромель-алюмень от -200 до 1000°С.

Возможности использования упомянутых методов для измерения криогенных температур рассматриваются в следующем параграфе. Здесь остановимся на специальных методах измерения температур.

Магнитные термометры (МТ) основаны на температурной зависимо­сти восприимчивости системы магнитных диполей, слабо взаимодейст­вующих друг с другом и с полем кристаллической решетки. В качестве ра­бочего вещества используют парамагнитные соли, магнитная восприимчи­вость которых зависит от температуры. Выбор подходящего вещества ог­раничен тем, что по мере снижения измеряемых температур элементарные магнитные моменты атомов парамагнетика переходит в ферромагнетизм. Для снижения измеряемых температур используют такие вещества, в кри­сталлах которых магнитные атомы окружены немагнитными. При темпе­ратуре ниже 1К наиболее подходящим веществом является цериймагние-вый нитрат. Из всех элементов кристалла только церий обладает магнитным моментом. Он оказывается окруженным атомами, затрудняющими взаимодействие между магнитными атомами. При температурах 1...4,2К используют парамагнитные соли: хромово-метил-аммониевые квасцы и марганцево-аммониевый сульфат.

Принцип действия МТ рассмотрим по рис.1. Внутри соленоида С с однородным магнитным по­лем устанавливают две одинаковые катушки К₁ и К₂, включенные встречно. Суммарная ЭДС, наво­димая в них переменным полем соленоида, равна нулю с той точностью, с которой катушки одина­ковы. В одну из катушек помещается образец из парамагнитного вещества. Благодаря парамагне­тизму образца индукция магнитного поля в этой катушке становится больше, чем в другой. Поэтому на приборе фиксируется разностный сигнал, кото­рый зависит от магнитной восприимчивости образ­ца. Зная показания прибора при измеренной и из­вестной температурах, по закону Кюри определяют измеряемую температуру.

Помимо соленоида и катушек криогенная часть МТ содержит два вложенных сосуда Дьюара и ампулу с образцом парамагнитной соли. Из-за сложности конструкции МТ применяются только в метрологических лабо­раториях для воспроизведения магнитной шкалы и измерения температур отО,01до4,2К.

Кварцевые термометры (КТ) основаны на зависимости резонансной частоты собственных колебаний кристалла кварца от температуры. Из­вестно, что под воздействием переменного электрического поля в кристал­ле кварца возникают механические колебания. При некоторой частоте ко­лебаний кристалл входит в резонанс. Резонансная частота зависит от раз­мера кристалла в направлении распространения упругих колебаний, моду­ля упругости и плотности кварцевого элемента. Влияние температуры на резонансную частоту обусловлено температурным коэффициентом модуля упругости, который зависит от ориентации кварцевого элемента. Темпера­турный коэффициент частоты находится в пределах 10^-8... 10^-4К^-1. Кристалл кварца с выводами для соединения с внешней электрической цепью и за­щитная оболочка образуют кварцевый резонатор. Внутри оболочки созда­ется вакуум Р<0,133Па или полость заполняется гелием при Р=267Па. Наиболее распространенные КТ измеряют температуру от —60 до 125°С. Возможно их использование до t=-260 С.

Помимо кварцевого резонатора в состав КТ входят частотный пре­образователь (генератор) и регистрирующий прибор. Достоинством КТ яв­ляется частотный выходной сигнал и отсутствие влияния линий связи. Градуировка КТ индивидуальная. Основная погрешность составляет ±(0,24.. .0,5)К. Известны КТ с основной погрешностью ±0,01К.

Термошумовые термометры (ТШТ) основаны на зависимости тепло­вых шумов проводника от температуры. Тепловой шум обусловлен хаоти­ческим движением носителей тока, находящихся в тепловом равновесии с молекулами (ионами) проводника. Носителями заряда могут быть электро­ны, ионы или дырки. Хаотическое движение вызывает флуктуацию равно­мерного распределения их по объему проводника и появление несбаланси­рованных зарядов. Последние создают разность потенциалов и выравни­вающий ее ток, которые флуктуируют около средних нулевых значений.

Практическая реализация ТШТ связана с решением проблемы точно­го измерения весьма малых напряжений. Среди большого разнообразия ТШТ лишь малая часть построена на непосредственном измерении напря­жения теплового шума. Чаще используются ТШТ с двумя равными сопро­тивлениями ro и R, одно из которых находится при известной, а другое — при измеряемой температуре. Сравнение сопротивлений или интенсивно­сти шумов на них позволяет определить измеряемую температуру. Суще­ствуют ТШТ в областях очень низких (<1К) или очень высоких (2000.. .2500К) температур. В узком диапазоне можно измерить темпера­туру с погрешностью 0,01%, но измерительная схема получается сложной.

Квадрупольные ядерные температуры (КЯТ) основаны на зависимо­сти ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) вещества от температуры. Явление ЯКР наблюдается во многих веществах. Для реализации КЯТ вы­бирают вещества с высоким температурным коэффициентом ЯКР, узкой резонансной линией и широким диапазоном температур, обычно исполь­зуют хлорат калия на Т=10...400К и диоксид меди на Т<870К. Выбранное вещество в оболочке помещают внутрь катушки, вхо­дящей в контур, питающийся от генератора. Когда частота тока в катушке совпадает с частотой квадрупольного расщепления уровней энергии, про­исходит поглощение энергии, сопровождающееся уменьшением добротно­сти катушки. Измерительные схемы достаточно сложны, но позволяют по­лучить погрешности менее 0.005К. За счет подбора термометрического вещества и измерительной схемы в лабораторных условиях используют КЯТ для измерения особо низких температур порядка 0,001 К.

Акустические термометры (AT) основаны на зависимости скорости распространения звука в твердых телах, жидкостях и газах от температу­ры. Выбранное вещество заключают в оболочку, оснащенную излучателем и приемником звуковых волн. В процессе измерений определяют скорость звука или связанные с ней величины посредством резонансных или интер­ференционных явлений. Чаще всего используются ультразвуковые термо­метры (УТ). Такие УТ с чувствительными элементами из твердых тел ох­ватывают диапазон от —210 до 2000°С.

В AT для криогенной области в качестве термодинамического веще­ства используют газообразный гелий-4 или водород. С помощью таких AT измеряют температуры от 2 до 20К с погрешностью не более 0,01 К.

Емкостные термометры (ЕТ) основаны на зависимости электриче­ской емкости конденсатора от температуры. Чаще используется измерение емкости, обусловленное температурной зависимостью диэлектрической проницаемости материала конденсатора. Изменение емкости может быть обусловлено и изменением с температурой расстояния между обкладками или площади их перекрытия.

Наиболее выраженной температурной зависимостью диэлектриче­ской проницаемости обладают сегнетоэлектрики: титанат бария, сегнето-вая соль, триглицинсульфат, дигидрофосфат калия и др. На базе сегнето-электриков с добавлением примесей получают конденсаторы большой ем­кости, малых размеров и высокой чувствительности. Наиболее перспек­тивны стеклокерамические материалы. Их используют в интервале от 4 до 300 К. Известны ЕТ на основе ситалла для температур 1,7...300 К. ЕТ на основе щелочно-галоидных монокристаллов КС1, NaCl, KBr используются в интервале 1,2...30 К.

Индуктивные термометры основаны на зависимости индуктивности катушки с сердечником от температуры. Материал сердечника должен об­ладать температурозависимой магнитной проницаемостью. Индуктив­ность медной обмотки на ферритовом кольце (торойде) существенно изме­няется в диапазоне 100...300 К. Ввиду нестабильности магнитных свойств материалов погрешность измерений может доходить до 2 К. При исполь­зовании катушек с сердечником из сплава, состоящего из кобальта, железа и ванадия, получают индуктивный термометр на диапазон 4,2...273 К.

Термометры на основе диодов и транзисторов используют зависи­мость параметров электронно-дырочного (р-n) перехода в полупроводнике от температуры. Температурозависимыми параметрами могут быть: обрат­ный ток диодов и транзисторов; прямое напряжение на р-n переходе при почти постоянном токе эмиттера; коэффициент усиления по току на низ­ких и высоких частотах и др. Температурные пределы применимости тран­зисторов в термометрах значительно шире, чем при их использовании по прямому назначению. Промышленность выпускает термометры ТЭТ-1 на диапазон —10. ..+40 °С и ТЭТ-2 на диапазон —40. ..80 °С. Стабильность по­добных термометров невысокая.

Термоиндикаторы (ТИ) в зависимости от достигнутых значений температур изменяют один из внешних параметров: цвет, интенсивность свечения или форму. Подходящими для холодильной техники являются жидкокристаллические и люминесцентные ТИ. В жидкокристаллических ТИ используются органические соединения, которые в определенном ин­тервале переходят в жидкокристаллическое состояние, обладающее свой­ством при незначительном изменении температуры так изменять свою структуру, что падающий на них свет отражается с изменением цвета. Диапазон использования таких ТИ составляет -20...250 °С.

Люминесцентные ТИ изменяют либо яркость, либо цвет свечения. Диапазон их использования -200...+ 1000°С. Градуировка серийных ТИ производится при условии подъема до температуры перехода в течение 2 мин и выдержке при этой температуре 30 с.

Полупроводниковые ТС, в отличие от металлических, имеют боль­шое номинальное сопротивление, высокую чувствительность и малую инерционность. К недостаткам их относятся нелинейность характеристик, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номиналов со­противления и чувствительности, нестабильность характеристик по време­ни.

Промышленность серийно выпускает целый ряд полупроводниковых ТС, именуемых термисторами. По форме они бывают бусинковые, диско­вые и стержневые. Термисторы типа KMT, CT1, ПТ изготавливают на ос­нове кобальто-марганцевых, ММТ и СТ2 — на основе медно-марганцевых, СТЗ и МКМТ — медно-кобальто-марганцевых и СТ4 — никель-кобальто-марганцевых оксидных полупроводников. Такие термисторы используют в диапазоне температур от —100 до 200°С.

Германиевые ТС обладают длительной стабильностью градуировоч-ной характеристики. Они являются носителями температурной шкалы ни­же 20К. Чистый германий при низких температурах имеет слишком боль­шое удельное сопротивление. Его уменьшают легированием германия примесями сурьмы, мышьяка или галлия. Технические германиевые ТС используют в интервале 30-90 К, а пленочные германиевые ТС - в интер­валах 4,2-300 К и 1,3-100 К. Германиевые ТС могут работать в вакууме и при повышенных давлениях, но при отсутствии вибраций.

Термопреобразователи из монокристалла арсенида галлия, легиро­ванного медью, цинком или марганцем имеют вид малогабаритной пла­стины или диска с проволочными выводами. Монокристалл помещают в герметичный стеклянный корпус, заполненный гелием. Измеряемый диа­пазон температур каждого ТС зависит от вида примеси и степени легиро­вания арсенида галлия. Выпускаемые промышленностью разновидности ТС охватывают температуру от 0,3 до 100 К. Некоторые из них допускают работу в условиях вибраций и ускорений. Сопротивление ТС из арсенида галлия значительно меньше зависит от магнитного поля, чем сопротивле­ние германиевых ТС.