Термометрия при низких температурах

Термометрия при низких температурах является критическим направлением в криофизике, обеспечивая точное измерение температуры в диапазоне от нескольких кельвинов до милликельвин. В этом диапазоне многие традиционные методы измерения температуры становятся неэффективными или вовсе неприменимыми, поэтому разработка специальных термометров и методов калибровки является ключевой задачей.

Основные принципы измерения температуры

Измерение температуры при низких температурах базируется на зависимости физических свойств вещества от температуры. Основные подходы включают:

  1. Электрические свойства

    • Сопротивление металлов и полупроводников: В металлах при низких температурах сопротивление стремится к остаточному сопротивлению, а в полупроводниках сопротивление может изменяться экспоненциально, что позволяет использовать их как высокочувствительные термометры.
    • Сверхпроводящие переходы: Температура перехода в сверхпроводящее состояние используется как точка отсчета для калибровки других термометров.

  2. Магнитные свойства

    • Парамагнитные соли: Изменение магнитной восприимчивости с температурой по закону Кюри позволяет точно измерять температуру в диапазоне милликельвинов.
    • Магнитное тепловое равновесие: Используется в термометрах на основе адiabатического размагничивания.

  3. Тепловые свойства

    • Тепловой баланс и теплоемкость: В некоторых случаях измерение теплоемкости малой массы позволяет косвенно оценить температуру.

  4. Оптические методы

    • Люминесценция кристаллов: Интенсивность и спектр излучения зависят от температуры.
    • Оптические спектры поглощения: Используются для измерений в диапазоне от нескольких кельвинов до милликельвинов.

Классификация термометров низких температур

Резистивные термометры

Металлические термометры:

  • Основываются на температурной зависимости сопротивления чистых металлов.
  • Обеспечивают высокую стабильность при температурах выше 1 К.
  • Ограничения: при температуре ниже 1 К сопротивление практически не изменяется (остаточное сопротивление).

Полупроводниковые термометры:

  • Используются германиевые и кремниевые элементы.
  • Сопротивление изменяется экспоненциально, что обеспечивает высокую чувствительность.
  • Недостаток: требуется тщательная калибровка, чувствительны к магнитным полям.

Газовые термометры

  • Измеряют давление газа при фиксированном объёме или объём при фиксированном давлении.
  • Используют идеальный газ в диапазоне температур от 1 К до 100 К.
  • Применяются для первичной термометрии, особенно в стандартизации температур.

Молекулярные и адiabатические термометры

  • Резонансные термометры на основе ядерного спина: Используются для измерения температуры ниже 1 мК.
  • Магнитные термометры: Используют парамагнитные соли, измеряя магнитную восприимчивость.
  • Обеспечивают прямое измерение температуры в диапазоне от десятков мкК до милликельвинов.

Методы калибровки термометров

  1. Вторичные эталоны

    • Используют ранее калиброванные термометры.
    • Необходимы для полупроводниковых и резистивных термометров.

  2. Первичные методы

    • Основаны на физических законах, не требующих сравнения с другими термометрами.
    • Например, газовый термометр по уравнению состояния идеального газа или точка кипения жидкого гелия при известном давлении.

  3. Использование фазовых переходов

    • Точки плавления и кипения гелия, водорода, неона и других криогенных жидкостей.
    • Точки перехода в сверхпроводящее состояние металлов.

Специальные аспекты низкотемпературной термометрии

  • Тепловая связь термометра с объектом: Важно минимизировать тепловое сопротивление между термометром и измеряемой средой, чтобы измерения были достоверными.

  • Влияние внешних полей: Магнитные и электрические поля могут изменять сопротивление термометров или восприимчивость парамагнитных материалов, что требует экранирования.

  • Самонагревание: Даже малый ток через резистивный термометр может вызвать заметное повышение температуры, поэтому измерения проводятся при минимальном токе.

Современные подходы

  1. Нанотермистры: Использование наноструктурированных материалов для высокочувствительных термометров.
  2. Оптические и лазерные методы: Позволяют измерять температуру без прямого контакта, что важно для исследований сверхнизких температур и квантовых систем.
  3. Сверхпроводящие квантовые интерферометры (SQUID): Используются для измерения магнитной восприимчивости малых масс при температуре ниже 1 мК.

Криофизическая термометрия является фундаментальным инструментом для исследований квантовых явлений, сверхпроводимости, сверхтекучести и других эффектов низких температур. Она требует сочетания физической точности, тщательной калибровки и внимательного учета внешних влияний, обеспечивая надежное измерение температуры в экстремальных условиях.

Оглавление