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 nízkých teplot 1/50 Měření nízkých teplot Teplotní stupnice ITS-90 Plynové a parní teploměry Odporové teploměry Polovodičové teploměry Další typy teploměrů pro měření nízkých 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 9i = Ti Qi Ti Qi - teplo odevzdané (?2 - teplo přijaté u = 1 - Qi Q2 Fyzika nízkých teplot 5/50 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 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 < □ ► Fyzika nízkých teplot 8/50 ITS-90 v rozsahu 0.65 - 5 K, definice pomocí tenze par 3He a 4He Tgo[K]=A0 + J2Ai ;=i ln(P) - B Č Fyzika nízkých teplot 9/50 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_ J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,o!982g 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 m K 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 7q , po 7= Ti o Po za předpokladu V2 = 0 rozsah měřených teplot 1-300 K Fyzika nízkých teplot 12 / 50 Obr. 36. Jednoduchý Šimonův plynový teploměr f1 3_ 3J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,ol982g Fyzika nízkých teplot 13 / 50 Korekce parazitní objem V2 termomolekulární rozdíl tlaků neideální plyn změna teploty manometru během měření 7 = Po , Po-P V2 To ^ Tp V1 přesnost až 0.01 K 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 10~4K □ {3 Parní teploměr J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982s = 5 -0 0,0 Fyzika nízkých teplot Parní teploměr látka rozsah teplot [K] max.rozsah [K] 3He 1.5 - 3.3 0.3 - 3.3 4He 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 CFA 90 - 150 C2H4 133 - 174 Odporové teploměry tepelné kotvení, ohřev teplotního čidla • kovové • slitinové • uhlíkové • termistory • germaniové • galiumarsenidové Fyzika nízkých teplot 18 / 50 Výkonové zatížení teplotní oblast [K] výkonové zatížení [W] 102 až 10 10 až 1 1 až 10_1 10_1 až 10~2 10-6 až 10-8 10~8 až 10-10 10_1° 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) + A 1/1/(7) = 1/1/(7) = T ^273.16K l/l/(29.7646°C) > 1.11807 , nebo l/l/(-38.8344°C) < 0.844235 15 7 = 273.16 x Bo+ ^2 Bi i=l M/r(T)1/6 -0.65 0.35 v rozsahu 13.8033 K až 273.16 K, s přesností 0.1 mK 7 = 273.15+ ( Do + J^D; i=i 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 □ {3 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 □ {3 Uhlíkové teploměry uhlíkový odpor problém s ohřevem a mechanickým namáháním 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 %: Fyzika nízkých teplot 24 / 50 Uhlíkové teploměry T(K) 5_ 5J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,ol982g Fyzika nízkých teplot 25 / 50 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 m7 tou 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 přívody) 6J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkych teplot 27 / 50 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 = J2An(logT)n,m~ 13 n=0 Fyzika nízkých teplot 28 / 50 Germaniové teploměry Kŕ faß KK) Obr. 44. Závislosti R(T) dvou typü Ge snímaču (5 a N2) Scientific Instruments [98] Obr. 45. Schéma uspořádání čtyřclektrodového Ge snímače Cryocai použitelného jako sekundární termometrický standard [99] (Gŕ germanium, P{ proudové přívody, Pu napěťové přívody, Au zlaté drátkové pružné přívody, Pt platina, Cu zlacené médéné pouzdro plnéné plynným He, Au + Sn pájka s bodem táni 280 "C, S sklo) % nebo % 7J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot Galiumarsenidové teploměry GaAs monokrystal dopovaný Cu, nebo Zn slabá závislost na mag. poli dobrá dlouhodobá stabilita použitelné do 300 K □ {3 AfKB)1 0J5 B(T) 1,58 Z& 3« W W 5 10*3* (T 8 8 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Fyzika nízkých teplot 31 / 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 2* 2,0 0,8 O? 1 i KA 207 - - K F 506 — DT- 500 ^ — O 20 W 60 100 200 300 T(K) Obr. 50. Teplotní závislost spádu napětí na Si diodě DT-500 při proudu 10 jaA v propustném směru [123], na dvou čs. Si diodách KA 207 a na čs. Si tranzistoru KF 506 (báze-emitor) při proudu 50uA(diody)al50*iA (tranzistor) v propustné© směru [124] 'J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982g = Kapacitní teploměry dielektrikum SrTi03 nezávislé na mag. poli nepoužitelné v rozsahu 60-70 K měří až do 10 mK 4 T = Y,AnCn Kapacitní teploměry 20 10 tqS<%) 3 2 f 0 ■ v - 1 1 1 1 Í00 200 300 T(K) Obr. 5L Teplotní závislost elektrické kapacity C a tangenty ztrátového úhlu tg Ô (mčfeno 7,5 mV pfi S kHz) sklokeramického SrTi03 kondenzátoru [i30] 10 10 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 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 -270 -200 -100 0 22 Temperature T(deg C) ii ii en.wikipedia.org/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 12 M.Kreidl: Měření teploty, BEN , Praha 2005 □ - 1 -0 0,0 Fyzika nízkých teplot Optické vláknové senzory teploty vlákno 400 /im amplitudová modulace fázová polarizační rozložení vlnové délky - posun absorpční čáry Fabry-Perotův rezonátor -272 °C až 250 °C chyba měření asi 0.2 °C až 0.8 °C 13 13 M.Kreidl: Měření teploty, BEN , Praha 2005 □ <3 = Fyzika nízkých teplot Infračervené teploměry pyrometry - detekce infračerveného záření rozsah -40 °C až 10000 °C 0.4 jim až 25 nm emisivita 14 14 M.Kreidl: Měřeni teploty, BEN , Praha 2005 □ <3 = Fyzika nízkých teplot Měření velmi nízkých teplot primární • šumové • tlak tání pevného 3He • osmotický tlak mezi 4He a 3He + 4He • polarizační jev • anizotropie 7 záření sekundární • tenze par 3He • odporové teploměry • magnetická susceptibilita paramagnetických látek • statická jaderná susceptibilita • spektra jaderné magnetické rezonance □ {3 Šumové teploměry • Johnsonův šum - bílý šum • oblast mK a fiK • napětí řádu 10_10V • supravodivý detektor magnetického toku Squid (napětí až 10~15 V ) U2 = AkTRAf R - odpor, Af šířka kmitočtového pásma Fyzika nízkých teplot □ i3 43 / 50 Tlak tání pevného 3He • 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, 1982g Fyzika nízkých teplot 44 / 50 Osmotický tlak mezi AHe a 3He + 4He porézní materiál odděluje supratekuté AHe a 0.1% 3He + AHe 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 spektroskopi primární teploměr radioaktivní materiál obsazeni hladin je závislé na teplotě ohřev vzorku Anizotropie 7 záření 2 - 20 mK radioaktivní materiál - 54Mn a 60Co obsazení hladin je závislé na teplotě ohřev vzorku Fyzika nízkých teplot 47 / 50 Magnetické teploměry závislost magnetické susceptibility na teplotě pro paramagneti látky dusičnan ceritohořečnatý, dusičnan ceritolantanohořečnatý Squid teploty i pod 1 m K C X = 7 Statická jaderná susceptibilita C u 99.9999 % Squid /j,K oblast Fyzika nízkých teplot □ S1 49 / 50 Jaderné magnetické rezonance N M R dynamická susceptibilita nepřímo úměrná teplotě vzorek v mag.poli 10~2 T kolmo působiví mag. pole pulzní provoz Cu, Pt, AI fiK oblast Fyzika nízkých teplot 50 / 50