Магнитные термометры

Магнитные термометры представляют собой устройства для измерения температуры, основанные на зависимости магнитных свойств вещества от температуры. Основной физический принцип их работы заключается в изменении магнитной восприимчивости или намагниченности образца при изменении температуры.

Для криофизических исследований особенно важны низкие температуры, где классические методы термометрии часто теряют точность или становятся непригодными. Магнитные термометры позволяют измерять температуры от долей келвина до десятков кельвинов с высокой точностью.

Основные типы магнитных термометров

  1. Парамагнитные термометры Используют материалы с парамагнитной восприимчивостью, которая зависит от температуры по закону Кюри или Кюри–Вейсса:

    $$ \chi = \frac{C}{T - \theta} $$

    где:

    • χ — магнитная восприимчивость,
    • C — константа Кюри,
    • T — температура,
    • θ — постоянная Кюри–Вейсса.

    Парамагнитные термометры обычно применяют для диапазона 0.01–20 К, используя соли редкоземельных элементов или других парамагнитных соединений, например CmOSO₄·6H₂O, Gd₂(SO₄)₃·8H₂O.

  2. Суперпарамагнитные термометры В основе лежат нанокристаллы ферромагнитных или ферримагнитных материалов, проявляющие суперparamagnetism при малых размерах. Их намагниченность резко меняется при изменении температуры, что позволяет использовать их для точной термометрии ниже 1 К.

  3. Ферромагнитные и антиферромагнитные термометры Эти материалы имеют резкое изменение магнитной восприимчивости около точки Кюри (ферромагнетики) или точки Нёеля (антиферромагнетики). Такие термометры используют для исследования малых температурных интервалов вблизи фазовых переходов.

Методы измерения магнитных свойств

Для практического использования магнитного термометра необходимо измерять магнитный отклик материала. Основные методы включают:

  1. Метод компенсации Измеряют изменение магнитного потока через катушку, помещённую в магнитное поле. Разность сигналов между эталонной и рабочей катушкой пропорциональна изменению намагниченности.

  2. Метод моста магнитного сопротивления Применяется для парамагнитных образцов: катушка с образцом включается в магнитный мост, изменение сопротивления катушки фиксируется как изменение напряжения, связанного с температурой.

  3. SQUID-термометрия Сверхпроводящие квантовые интерферометрические устройства (SQUID) позволяют измерять очень малые изменения магнитного потока с высокой чувствительностью. Это основной метод для температур ниже 0.1 К, где другие методы теряют чувствительность.

Характеристики магнитных термометров

  • Чувствительность: Наиболее чувствительные термометры способны фиксировать изменения температуры до долей милликелвина.

  • Диапазон измерений: От 10 мК до 20–30 К, в зависимости от материала и конструкции.

  • Линейность: Важна для калибровки. Парамагнитные соли обеспечивают почти идеальную зависимость 1/T на низких температурах.

  • Влияние внешнего магнитного поля: Магнитные термометры чувствительны к посторонним полям, поэтому в экспериментальной установке используют экранирование.

Применение в криофизике

Магнитные термометры находят широкое применение в низкотемпературных исследованиях:

  • Использование в дильюционных холодильниках для контроля температуры ниже 0.3 К.
  • Калибровка резистивных термометров и термометров на основе Резистивной термометрии при сверхнизких температурах.
  • Изучение фазовых переходов ферромагнитных и антиферромагнитных кристаллов.
  • Контроль температуры сверхпроводящих систем в экспериментах с квантовыми жидкостями.

Основные преимущества и ограничения

Преимущества:

  • Высокая точность при низких температурах.
  • Возможность измерений в диапазоне от мК до десятков К.
  • Независимость от тепловых контактов, что особенно важно при работе с криогенными жидкостями.

Ограничения:

  • Требуют калибровки по эталонным термометрам.
  • Чувствительны к внешним магнитным полям.
  • Для сверхнизких температур необходимы сложные методы регистрации сигнала, например SQUID.
Оглавление