Измерение низких температур

Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит газовый термометр <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80>. Другими вариантами первичного термометра являются акустический и шумовой термометры, действие которых основано на связи термодинамической температуры соответственно со значением скорости звука в газе и интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрической цепи.

Первичные прецизионные термометры используются в основном для определения температур легковоспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (реперных точек), которые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%9C%D0%B5%D0%B6%D0%B4%D1%83%D0%BD%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F%20%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D1%88%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D0%B0/> (МПТШ-68). В области низких температур такими реперными точками являются: тройная точка равновесного водорода (13,81 К), точка равновесия между жидкой и газообразной фазами равновесного водорода при давлении 25/76 нормальной атмосферы <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%90%D1%82%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0%20%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B8/> (17,042 К), точка кипения равновесного водорода (20,28 К), неона (27,102 К), тройная точка кислорода (54,361 К).

Для воспроизведения любого значения температуры от 630,74 °С до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью ~0,001 К служит платиновый термометр сопротивления <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%20%D1%81%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F/>. В диапазоне низких температур температура по МПТШ-68 отличается от истинного термодинамического значения не более чем на 0,01К.

МПТШ-68 пока не продлена ниже 13,8 К, ввиду отсутствия в этой области низких температур вторичного термометра, не уступающего по чувствительности, точности и воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления при более высоких температурах.

В диапазоне 0,3-5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщенных паров ps гелия от температуры Т, устанавливаемой с помощью газового термометра. Эта зависимость была принята в качестве международной температурной шкалы в области 1,5-5,2 К (шкала ⁴He, 1958) и 0,3-3,3 К (шкала ³He, 1962). Зависимость ps (T) в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитической формулой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения температуры до тысячной доли Кельвина.

В области низких температур для целей практической термометрии применяют главным образом термометры сопротивления (до 20 К - медный; в области водородных и гелиевых температур - вплоть до 1 мК - угольные, сопротивление которых возрастает при понижении температуры). Применяют также термометры сопротивления из чистого германия. Высокая стабильность и достаточная чувствительность делают их удобным инструментом измерения температуры ниже 100 К.

Существует ряд других чувствительных к изменениям температуры устройств, которые могут быть использованы в качестве вторичных термометров для измерения низких температур: термопары <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0/>, термисторы <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80/>, полупроводниковые диоды <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9%20%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B4/>, датчики из сверхпроводящих сплавов (в области гелиевых и водородных температур).

Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения термодинамической температуры в этой области используют магнитные и ядерные методы.

В магнитной термометрии <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%8F/> пользуются понятием магнитной температуры Т*, которую определяют из измерений магнитной восприимчивости <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%B2%D0%BE%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%B8%D0%BC%D1%87%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C/> c парамагнитной соли. Согласно закону <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%9A%D1%8E%D1%80%D0%B8%20%D0%B7%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD/> Кюри, при достаточно высоких температурах c ~ 1/T*. Для многих солей закон Кюри справедлив и при гелиевых температурах. Экстраполируя эту закономерность в область сверхнизких температур, определяют магнитную температуру как величину, обратно пропорциональную восприимчивости. Для получения точных результатов необходимо учитывать различные побочные факторы: анизотропию восприимчивости, геометрическую форму образца и др. Область температур, в которой магнитная температурная шкала достаточно близка к термодинамической, зависит от конкретной соли. Наиболее широко для измерения сверхнизких температур до 6 мК применяют церий-магниевый нитрат, для которого расхождение шкал при указанной температуре меньше 0,1 мК.

В основе ядерных методов измерения низких температур лежит принцип квантовой статистической физики, согласно которому равновесная заселенность дискретных уровней энергии <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%A3%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BD%D0%B8%20%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D0%B8/> системы зависит от температуры. В одном из таких методов измеряется интенсивность линии ядерного магнитного резонанса <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%AF%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D1%81/>, определяемая разностью заселённости уровней ядерных магнитных моментов в магнитном поле. В другом методе определяется зависящее от температуры отношение интенсивностей компонент, на которые расщепляется линия резонансного гамма-излучения (эффект <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%9C%D1%91%D1%81%D1%81%D0%B1%D0%B0%D1%83%D1%8D%D1%80%D0%B0%20%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82/> Мёссбауэра) во внутреннем магнитном поле ферромагнетика.

Аналогом термометрии по давлению насыщенных паров в области сверхнизких температур является измерение температуры в диапазоне 30-100 мК по осмотическому давлению <http://slovari.yandex.ru/%7E%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%9E%D1%81%D0%BC%D0%BE%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5%20%D0%B4%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5/> ³He в смеси ³He-⁴He. Абсолютная точность измерений - около 2 мК при чувствительности осмотического термометра 0,01 мК.