Fyzika nízkých teplot • Měření nízkých teplot • Teplotní stupnice ITS90 • Plynové a parní teploměry • Odporové teploměry • Polovodičové teploměry • Další typy teploměrů pro měření nízkých teplot • Tepelné izolace a hladinoměry kryokapalin • Přenos tepla vedením, zářením,... • Tepelné izolace - vakuová, superizolace, pěnová,.... • Dewarova nádoba • Různé typy hladinoměrů pro kryokapaliny • Aplikace nízkých teplot • Aplikace ve vakuové technice • Aplikace v průmyslu, ve zdravotnictví, v dopravě,... • Aplikace v raketové technice Fyzika nízkych teplot Měření nízkých teplot • Teplotní stupnice ITS-90 • Plynové a parní teploměry • Odporové teploměry • Polovodičové teploměry • Další typy teploměrů pro měření nízkých teplot Fyzika nízkych teplot Teplotní stupnice Definice teploty: Pro každý systém existuje jistá intenzivní stavová veličina - teplota, mající stejnou hodnotu ve všech systémech, které jsou navzájem v rovnováze. rozsah teplotní stupnice a velikost jednoho stupně je věcí dohody Fyzika nízkých teplot 3/50 Teplotní stupnice • Kelvinova stupnice • Celsiova stupnice • Farenheitova - USA • Rankinova - USA • Réaumurova stupnice - záp. Evropa do konce 19. stol Fyzika nízkých teplot 4/50 Kelvinova stupnice definována 1854 pomocí Carnotova cyklu 9l = Tl Qi Ti u = 1 — — Qi - teplo odevzdané Q2 - teplo přijaté Fyzika nízkych teplot ITS-90 Mezinárodní teplotní stupnice ITS-90, www.ITS-90.com. 17 pevných teplotních bodů, rozsah 0.65 - 1357.77 K Starší stupnice IPTS-68 - 11 pevných bodů + 11 sekundárních bodů, rozsah 2.172 - 1337 K -problém s teplotou bodu varu kryokapalin, vliv hydrostatického tlaku (105 mK/10 cm pro 02, 58 mK/10 cm pro N2) Fyzika nízkých teplot 6/50 Fyzika nízkých teplot 7/50 ITS-90 Number Temperature T90 K t90 °C Substance a State b 1 0.65 to 5 -272.5 to -268.15 He V 2 13.8033 -259.3467 e-H2 T 3 17 -256.15 e-H2 (or He) V 4 20.3 -252.85 e-H2 (or He) V 5 24.5561 -248.5939 Ne T 6 54.3584 -218.7916 o2 T 7 83.8058 -189.3442 Ar T 8 234.3156 -38.8344 Hg T 9 273.16 0.01 H20 T 10 302.9146 29.7646 Ga M 11 429.7485 156.5985 In F 12 505.078 231.928 Sn F 4 □ ► 4 (5? ► 4 Fyzika nízkych teplot ITS-90 v rozsahu 0.65 - 5 K, definice pomocí tenze par He a He 9 T90[K]=A0 + J2Ai i=l ln{P) - B Č Fyzika nízkych teplot Trojný bod vody Obr. 53. Realizace trojného bodu vody (273,16 K) B - odplyněná, redestilovaná voda, F - voda a tající led, C - led, D - vodní pára, po několika hodinách, v části E teplota trojného bodu 273.16 K ± 0.2 mK 2_ 2J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,aL982g ■< i ► i ono Fyzika nízkých teplot 10 / 50 Supravodivé teplotní body supravodič čistota kritická teplota [K] Pb 6N 7.201 In 5N 3.416 AI 5N 1.175 Zn 6N 0.844 Cd 6N 0.515 přesnost 2 mK, reprodukovatelnost 1 mK Fyzika nízkých teplot 11 / 50 Plynový teploměr princip - měření tlaku plyn He (ideální plyn), tlak plynu vždy nižší než tenze par pro danou teplotu, referenční tlak a teplota 7~o , po Po za předpokladu V2 = 0 rozsah měřených teplot 1-300 K Fyzika nízkých teplot 12 / 50 y Obr. 36. Jednoduchý Šimonův plynový teploměr 3_ 3J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,aL982g ■< i ► i ono 13 / 50 Fyzika nízkých teplot Korekce • parazitní objem V2 • termomolekulární rozdíl tlaků • neideální plyn • změna teploty manometru během měření přesnost až 0.01 K T Po , Po-P V2 "To Tp Vx Fyzika nízkych teplot Parní teploměr • rovnovážný tlak par nad hladinou zkapalněného plynu • závislosti pro čisté látky změřeny • zpravidla pracují mezi trojným bodem a bodem varu • přesnost asi 1%, citlivost až 10~AK Fyzika nízkých teplot 15 / 50 Parní teploměr 4_ 4J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,d!983s 16 / 50 Fyzika nízkých teplot Parní teploměr látka rozsah teplot [K] max.rozsah [K] 3He 1.5 - 3.3 0.3 - 3.3 AHe 2.3 - 4.5 0.9 - 5.2 H2 13.8 - 21.2 13.8 - 33.2 Ne 24.5 - 28.1 21.0 - 44.4 N2 63 - 80 63 - 126 02 70 - 93 54 - 154 CH4 86 - 116 90 - 191 NO 107 - 123 CF4 90 - 150 C2H4 133 - 174 Odporové teploměry tepelné kotvení, ohřev teplotního čidla • kovové • slitinové • uhlíkové • termistory • germaniové • galiumarsenidové Fyzika nízkych teplot Výkonové zatížení teplotní oblast [K] výkonové zatížení [W] 102 až 10 10 až 1 1 až 10-1 IQ"1 až IQ"2 10~6 až 10~8 10~8 až 10-10 10"10 až 10~12 10~12 až 10~14 pro teplotní snímač délka 10 mm, průměr 3 mm, zvýšení chyby o 0.1 % Fyzika nízkých teplot 19 / 50 Kovové teploměry Pt teploměry • Pt drátek 0.05 - 0.2 mm • při 0 °C odpor 10 - 100 Q • problém s pnutím • závislé na mag. poli, B = 5 T, T = 20 K, chyba 100% Wr(T) + AW(T) = 1/1/(7") = —^- "273.16K l/l/(29.7646°C) > 1.11807 , nebo l/l/(-38.8344°C) < 0.844235 Fyzika nízkých teplot 20 / 50 15 7 = 273.16 x IBq + J^Bí i=l Wr(T)1/5 -0.65" 0.35 v rozsahu 13.8033 K až 273.16 K, s přesností 0.1 mK T = 273.15 + D0 + D< Wr(T) - 2.64" L64 v rozsahu 273.16 K až 1235 K, s přesností 0.13 mK Fyzika nízkých teplot 21 / 50 Cu teploměry • Cu drátek 0.05 - 0.1 mm, se smaltovou izolací • lineární závislost až do teplot LN2 • levné, méně citlivé na mech. pnutí • přesnost 0.1% do 70 K, 70 - 200 K asi 1% • závislé na mag. poli, B = 5 T, T = 4 K, chyba 300% Pb, In teploměry lepší citlivost než Pt, In - 3.5 - 300 K přesnost 0.1 K Slitinové teploměry Rh + 0.5% Fe konstantan - Cu60/Ni40 manganin - Cu84/Mnl2/Ni4 pod 100 K mají téměř konstantní součinitel odporu závislé na mag. poli Uhlíkové teploměry • uhlíkový odpor • problém s ohřevem a mechanickým namáhaním reprodukovatelnost - formátovat, různé šarže - různé vlastnosti • malá závislost na mag.poli B = 10 T asi 9% • pro rozsah 2-20 K s chybou asi 0.5 %: C logR + logR Uhlíkové teploměry T(K) 5_ 5J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,nl982g Termistory • kysličník niklu a manganu • velký součinitel odporu • slabá závislost na mag.poli • reprodukovatelnost - formátování pro stabilitu 0.1% • 50 cyklů z 293 na 77 K • 7 dnů při pok.teplotě • 50 cyklů z 293 na 77 K • 14 dnů skladovat Termistory 6 Obr. 42. a) Teplotní závislost odporu čs. termistoru TH 120/22-20, b) celkové uspořádáni termistoru TH 120/22-20 (T vlastni termistor, č koncové kontaktující kovové čepičky, P prívody) 6J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982_ 27 / 50 Fyzika nízkých teplot Germaniové teploměry - GRT • Ge + příměs As, Ga, Sb, Bi • rozsah od 50 mK do 100 K - dva snímače • přesnost až 0.5 mK • dobrá stabilita • sekundární standart m logR = Y,An(logT)n,m~ 13 n=0 Fyzika nízkých teplot 28 / 50 Germaniové teploměry Fyzika nízkých teplot 29 / 50 Galiumarsenidové teploměry • GaAs monokrystal • dopovaný Cu, nebo Zn • slabá závislost na mag. poli • dobrá dlouhodobá stabilita • použitelné do 300 K Fyzika nízkých teplot 30 / 50 Teploměr s PN přechodem • Si diody, tranzistory • napětí na PN přechodu • B = 5 T, chyba 2.4 K • měří do 400 K • dobrá reprodukovatelnost pro běžné měření Fyzika nízkych teplot 2? um 2,0 1,2 0,8 op- O 1 KA 207 - - KF 506 - DT- 500~~~~~^- - T(K) Obr. 50. Teplotní závislost spádu napětí na Si diodě DT-500 při proudu 10 uA v propustném směru [123], na dvou čs. Si diodách KA 207 a na čs. Si tranzistoru KF 506 (báze-emitor) při proudu 50uA(diody)al50uA (tranzistor) v propustném směru [124] JJelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 i -Oo. Kapacitní teploměry dielektrikum SrTiC>3 nezávislé na mag. poli nepoužitelné v rozsahu 60-70 K měří až do 10 mK 4 T = Y,AnCn Kapacitní teploměry 20 ft 10 tgS(%) r V ■ tiit 200 300 T(K) Obr. 51. Teplotní závislost elektrické kapacity C a tangenty ztrátového úhlu tg S (měřeno 7,5 mV při 5 kHz) sklokeramického SrTiOi kondenzátoru [130] 10 3J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,nl9825í Fyzika nízkych teplot Termočlánky • malé rozměry • citlivost zpravidla klesá s teplotou • referenční teplota - blízko měřené teplotě • vliv složení, mech. deformace, různé tavby 10% rozdíl • spojování • K - NiCr-NiAl • J - Fe-CuNi • T - Cu-CuNi • Chromel Ni90CulO - Au+Fe0.03 Fyzika nízkých teplot 36 / 50 Termočlánky n_ nen.wikipedia.orfi/wiki /Thermocouple Fyzika nízkých teplot 37 / 50 Akustická termometrie měření rychlosti zvuku většinou He + akustický rezonátor typicky rozsah 2 - 20 K USA v roce 1965 - kalibrace Ge teploměrů Krystalový teploměr • závislost rezonanční frekvence křemenného výbrusu na teplotě • rozsah -80 °C až 250 °C • př. základní frekvence 28.2 MHz, citlivost 1 kHz/K přesnost až 0.05 °C f = f0{l + aAT) 12 M.Kreidl: Měření teploty, BEN , Praha 2005 Fyzika nízkých teplot 39 / 50 Optické vláknové senzory teploty • vlákno 400 /im • amplitudová modulace • fázová • polarizační • rozložení vlnové délky - posun absorpční čáry • Fabryho-Perotův rezonator • -272 °C až 250 °C • chyba měření asi 0.2 °C až 0.8 °C M.Kreidl: Měření teploty, BEN , Praha 2005 Fyzika nízkých teplot 40 / 50 Infračervené teploměry • pyrometry - detekce infračerveného záření • rozsah -40 °C až 10000 °C • 0.4 fim až 25 fim • emisivita M.Kreidl: Měření teploty, BEN , Praha 2005 Fyzika nízkých teplot 41 / 50 Měření velmi nízkých teplot primární • šumové • tlak tání pevného 3/7e • osmotický tlak mezi 4/7e a 3/7e + 4/7e • polarizační jev • anizotropie 7 záření sekundární • tenze par 3/7e • odporové teploměry • magnetická susceptibilita paramagnetických látek • statická jaderná susceptibilita • spektra jaderné magnetické rezonance Fyzika nízkých teplot 42 / 50 Šumové teploměry • Johnsonův šum - bílý šum • oblast mK a fiK • napětí řádu 10~10V • supravodivý detektor magnetického toku Squid (napětí až 10~15 V ) Z/2 = AkTRAf R - odpor, Af šířka kmitočtového pásma Fyzika nízkých teplot 43 / 50 Tlak tání pevného 3/7e • rozsah 319 mK - 2.5 mK • tlak tání se mění od 2.9 do 3.4 MPa a) 15 15J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,aL982g ■< i ► i ono 44 / 50 Fyzika nízkých teplot Osmotický tlak mezi 4/7e a 3/7e + 4/7e • porézní materiál odděluje supratekuté 4/7e a 0.1% 3/7e + 4/7e • vznikne rozdíl tlaků - závisí teplotě • rozsah 10 - 700 mK prakticky lineární • diferenciální manometr, nezávislý na mag. poli Fyzika nízkých teplot 45 / 50 Polarizační jev v Mossbauerově spektroskopii • primární teploměr • radioaktivní materiál • obsazeni hladin je závislé na teplotě • ohřev vzorku Fyzika nízkých teplot 46 / 50 Anizotropie 7 záření 2 - 20 mK radioaktivní materiál - 54Mn a 60Co obsazeni hladin je závislé na teplotě ohřev vzorku Magnetické teploměry • závislost magnetické susceptibility na teplotě pro paramagnetické látky • dusičnan ceritohořečnatý , dusičnan ceritolantanohořečnatý • Squid • teploty i pod 1 mK C X = T Fyzika nízkých teplot 48 / 50 Statická jaderná susceptibilita Cu 99.9999 % Squid fiK oblast Jaderné magnetické rezonance NMR • dynamická susceptibilita nepřímo úměrná teplotě • vzorek v mag.poli 10~2 T • kolmo působí vf mag. pole • pulzní provoz • Cu, Pt, AI • fiK oblast Fyzika nízkých teplot 50 / 50