ностей. Там, где это удобно, допускается выражать температуру и разность температур в градусах Цельсия (°С).

Кельвин является одной из основных единиц СИ.

2.5. Тепловое излучение

В теории теплового изл; но черного теля (АЧТ). АЧ

[учения большую роль играет понятие абсолют-называется тело, которое полностью поглощает падающее на него излучение. В соответствии с законом Кирхгофа АЧТ является предельным излучателем. В 1900 г. М. Плаик предложил универсальный закон спектрального распределения объемного и поверхностного излучения АЧТ. Согласно закону Планка поверхностная плотность излучения АЧТ при длине волны к определяется формулой

2nhc

(2.10)

где с - скорость распространения света в вакууме; Л - постоянная Планка; k - постоянная Больцмана.

Для коротковолнового спектра при ХТ<- единица в скобках в (2. Ю)

становится исчезающе малой по сравнению с экспоненциальным числом и ферула Планка переходит в спектральную формулу Вина

(2.11)

Для коротковолнового спектра при >7 > из формулы Планка образуется формула Рэлея - Джинса

eIj-2ксХ-кТМ. (2.12)

2.6. Эффект Джозефсона

Этот эффект достигается с помощью элемента Джозефсона, состоящего из двух сверхпроводящих пластин, разделенных тонким слоем оксида. Включается он в измерительную схему с помощью точечного контакта между заостренным проводом и пластиной из сверхпроводящего материала.

В полупроводнике носители зарядов могут существовать в форме обычных электронов, рассеиваемых решеткой, и в форме куперовских пар, создающих сверхпроводимость материала, ио ие рассеиваемых решеткой. Вследствие туннельного эффекта етк электрон, так и куперовские пары могут проходить через оксидный слой, что является причиной возникновения следующих эффектов.

1. Стационарный эффект Джозефсона. Постоянный ток сверхпроводимости, не превышающий некоторого значения /q, может протекать через слой оксида без падения напряжения.

2. Нестационарный эффект Джозефсона. Если к элементу приложено постоянное напряжение смещения щ, то ток электронных пар совершает

колебания с частотой = - о- Таким образом, элемент становится генератором синусоидального тока определенной частоты. При и = 1 мкВ частота /о = 483,6 Гц. На этом эффекте основан наиболее точный метод определения напряжения постоянного тока Uq путем измерения частоты [д.

Тепловые шумы, возникающие в элементе Джозефсона, создают пульсации протекающего через него тока, а это приводит к размыванию монохроматического частотного сигнала, присущего nocToflHHONiy значению Так как тепловой шум имеет нормальное распределение, то и уширегше частотного сигнала создает типичный контур гауссовой кривой. Полуширина спектральной линии теплового шума на элементе Джозефсона, измеряемая радиоспектрометром, определяется выражением

Л/о = inkTr

I 2е \

где Т - термодинамическая температура элемента; г - сопротивле[1ие, шунтирующее элемент в измерительной схеме; У - сила тока, протекающего через элемент.

Термометр с элементом Джозефсона применяется только при температурах перехода вещества в сверхпроводящее состояние.

2.7. Ядерные кввдрупольные резонансные термометры

В основе работы ядерных квадрупольных резонансных (ЯКР) термометров лежит температурная зависимость частоты ядерного квадруполь-ного резонанса. Формулы, описывающие указанную зависимость, носят качественный характер, поэтому ЯКР-термометры необходимо градуировать. Обнаружение явления ЯКР в веществе и

измерение его частоты проводятся ЯКР-спек-

трометром. ЯКР-термометры различаются применяемым термочувствительным веществом и методом возбуждения ЯКР. Явление ЯКР наблюдается более чем у 4000 веществ. Методы возбуждения ЯКР: стационарный и импульсный. Стационарный метод используется при высокой добротности резонансной линии (/рцз/Д/> 10*,

где /pj.3 - частота ЯКР, Л/ - ширина резонанс-

Рис. 2.3. Блок-схема ЯКР-термометра[5781 ; - чувствительным эле мент; 2 - детектор ЯКР 3 - схема обработки сиг-нала ЯКР; 4 - измеритель частоты; 5 - преоб разователь частоты в температуру.

иой линии). При меньших значениях отношения применяется импульсный метод [1041].

В качестве термометрического вещества для ЯКР-термометров чаще всего применяется гипо-хлорид калия КСЮз (диапазон температур 20... ...400 К). Верхний предел температурного диапазона ограничен отношением сигнал/шум, так

как с ростом температур интенсивность сигнала ЯКР падает, а тепловые шумы возрастают. При температуре 500 К и выше КСЮз становится взрывоопасным, а при температуре выше 640 К - вообще ие существует [706, 1041]. Для диапазона температур 207-373 К аналитическое выражение, связывающее значения температуры и ЯКР КСЮз [650], имеет вид

Т = 314,873 - 18,532241 Д/ - 0,45406401 - 0,012867231 Af +

+ 0,42791335- 10-Д/*-f 0,38484435 ЮД/- 0,13745867

10-Зд/б

-1-0,108554. 10- Д/,

Д/ =

/-28- 10

Разрешающая способность термометра в диапазоне 77.. 374 К состав-лг.ет 1 мК, чувствительность находится в пределах 2...6 кГц/К при ширине резонансной линии 0,3... 1,5 кГц [29].

Существенного расширения диапазона измерения (до 870 К) можно достичь применением в качестве термочувствительного вещества кристаллов

из оксида меди [706].

На рис. 2.3 привязка к частоте ЯКР реализуется с помощью сигнала первой производной от ре.тонансной линии ЯКР. Компенсация паразитной амплитудной модуляции и ложных сигналов осуществляется применением импульсной магнитной модуляции; в качестве детектора ЯКР используется пороговы!! генератор (автодин) или сверхрегенератор, а для преобразования значений частоты в температуру используется микрокалькулятор МК-56. Время измерения составляет 12 с.

2.8. Ядерные магнитные резонансные термометры

Ядерные магиитпые резонансные (ЯМР) термометры менее распространены, чем ЯКР-термометры, но ие менее перспективны для измерения сверхнизких температур. В качестве температурочувствительных элементов в них используются высокочистые металлы: платина, алюминий, медь [635, 1041]. В частности, медь необходимо проверять на наличие примесей хрома и марганца .590]. * При ЯМР-измерениях применяют материалы в виде мелкодисперсных порошков, тонких проволок и фольг, что вызвано следующими причинами:

Рис. 2.4. Блок-схема непрерывного ЯМР-термометра [590]: / - ЧМ-генератор; 2 - ЧМ-опорный сигнал; 3 - преДуснлитель; 4 - днодныП детектор; 5 - синхронный детектор; 6 - самописец; 7 - развертка поля; 8 - магнит.

Рис. 2.5. Блок-схема импульсного ядерного магнитного резонансного термометра [635]:

/ - передатчик; 2 - логические элементы; 3 - интегратор; 4 - приемник; 5 - цифровой вольтметр; 6 - запоминающий осциллограф.

1) термометр функционирует эффективно в том случае, когда электромагнитное поле пронизывает весь объем термочувствительного материала;

2) тепловыделение за счет вихревых токов падает с уменьшением размеров дисперсных частиц, диаметра проволоки или толщины фольги; 3) большая площадь теплообмена облегчает установление теплового равновесия с исследуемым веществом (жидким гелием).

С помощью непрерывного ЯМР-термометра (рис. 2.4) производится измерение радиочастотной мощности, поглощенной ядрами на резонансной частоте. Основное достоинство таких термометров - большая чувствительность и постоянство термометрических свойств вещества, что позволяет вво-.днть цепи обратной связи для стабилизации режима работы.

Импульсные Я MP-термометры обеспечивают более высокую чувстви-гельность по сравиегшю с непрерывными ЯМР-термометрами. В таких термометрах (рис. 2.5) на парамагнитное вещество налагается кратковременный импульс магнитного поля перпендикулярно постоянному магнитному полю Bfi (Bi < В ). При этом ядерная намагниченность/И отклоняется от поля Вц на макроскопический угол ф и начинает нрецессиронать вокруг В,1 с ларморовой частотой уВ (7 - гиромагнитное отношение). Осциллирующая поперечная компонента этой намагниченности ,И sin (f наводит ЭДС в приемной катушке, расположенной вокруг образца и ориентированной перпендикулярно Во- Измерения проводят в небольших (~ 10 Тл) магнитных полях, чтобы не увеличивать теплоемкость и время релаксации ядерных спинов [635].

ЯМР-термометры дают систематическую погрешность около 2 %, случайную (при 0,01...! К) погрешность около 0,5 % и работоспособны до температур 0,05 К [29, 635].

2.9. Магнитные термометры

В магнитных термометрах реализуется температурная зависимость магнитной восприимчивости парамагнитных солей. Магнитный термометр Может быть выполнен в виде стеклянного герметичного сосуда, заполненного, например, порошком марганцево-аммониевого сульфата или молиб-дената гадолиния. Порог чувствительности в первом случае составляет 0,3 мК при 30 К, во втором 0,07 мК- Магнитные термометры рекомендуются для реализации

МПТШ в диапазоне температур 4,2...13,81 К /

вместо германиевых термометров [1041]. В качестве термометрической парамагнитной соли для измерения сверхнизких температур используется цериево-магниевый нитрат (ЦМН), для измерения температур до 0,4 мК - ЦМН, в котором 95-97 % церия замещено лантаном, или дейтерированный ЦМН. Преимущество ЦМН перед другими парамагиитными солями заключается в низкой температуре магнитного упорядочения и сравнительно малой теплоемкости. Восприимчивость ЦМН перестает зависеть от температуры только ниже 1,8 мК- Обычно используют порошкообразный ЦМН, в который для улучшения теплового контакта вводят пучок серебряной или медной проволоки диаметром 0,03...0,05 мм и далее прессуют порошок в форме таблеток. Недостаток ЦМН в том, что 6н легко теряет кристаллизационную воду (процесс дегидратации), если относительная влажность окружающей среды падает ниже 25 %. Для торможения процесса дегидратации порошок перед Прессовкой смешивают с апьезоновой смазкой или глицерином, а также покрывают готовые таблетки слоем клея (рис. 2.6). Кроме ЦМН перспективными материалами для магнитных термометров являются комплексы цериевый тиоциаиат, трифенил фосфии оксид, дипиколииат церия [635].

Рис. 2.6. Термопреобразователь ЦМН-тер-мометра [635):

/ - обойма нз эпоксидной смолы; 2 - медные катушки; 3 - незаполненная полость; 4 - ЦМН со смазкой: 5 - пучок медных проводов; 6 - позолоченная медная база; 7 - сварное соединение.

2.10. Емкостные термометры

в емкостных термометрах используется температурная зависимость диэлектрической проницаемости материалов, которая от температуры выше точки Кюри подчиняется закону Кюри - Вейсса. Применительно к емкости коидеисатора она имеет вид С = К1(Т - T), где К - постоянная, Т - температура, - температура точки Кюри [580]. Поскольку чувствительный элемент является параметрическим преобразователем (ПП), а его сопротивление носит реактивный характер, то это позволяет гювыснть чувствительность за счет увеличения измерительного тока при малом самонагреве [522]. Термозависимую емкость включают вместе с индуктивностью в колебательный контур, резонансная частота которого зависит от температуры (5801: /рез = А (Т - Гк)% где А - константа. Емкостные термометры на основе твердого раствора (BaSr) (TiSn) О, используются для измерений температуры в диапазоне 183...323 К на )адиозоидах. В медицинских целях применяются термометры на основе ЗаТЮз - CaSnOg для диапазона температур 307...315 К с погрешностью ±0,1 К [522].

Емкостные термометры на кристаллах NaPOH и КСЮН с примесными элементами применимы в диапазоне 0,065...2,5 К. Положение максимума емкости конденсатора из КСЮН (при ~0,19 К) можно менять изменением концентрации группы ОН [1041].

° 2.11. Магнитогидродинамический метод измерения температуры

Сущность магнитогидродинамического (МГД) метода состоит в том, что при пропускании ионизированного газа (степень ионизации которого растет с ростом температуры) через магнитное поле возникает ЭДС, значение которой определяется векторным произведением скорости потока газа и магнитной индукции. Конструктивно МГД-преобразователь выполняется в виде измерительного канала из электроизоляционного материала, на двух противоположных стенках которого размещены электроды. Канал устанавливается во внешнем магнитном поле. Измеряя наводимую в струе газа ЭДС [522] или сопротивление плазмы [437], можно определить температуру газа. Метод пригоден для измерения температур выше 2270 К.

2.12. Магнитооптические термометры

В основу работы магнитооптического термометра положена температурная зависимость смещения доменной границы неоднородной аморфной пленки, помещенной во внешнее магИитиое поле. Для этой цели пригодны пленки сплава Cd-Со, полученные методом катодного напыления. Такие термометры могут использоваться для измерения температуры в диапазоне 273...773 К в газовых и жидких средах и иа поверхности твердых тел сложной формы [393].

2.13. Ядерно-ориентационные термометры

В ядерно-ориентациониьгх (ЯО) термометрах [590, 635] используется температурная зависимость анизотропии у-излучения при радиоактивном распаде. Направление испускания у-излучения не является хаотическим, существует определенная пространственная анизотропия вероятности излучения, зависящая от начального направления спина ядра, мультиполь-ности переходов и других характеристик. В болынинстне случаев в ЯО-тер-

мометрии используются радиоактивные изотопы Со и Щп. Обычно ядра Со или **Мп ориентируют путем внедрения их в соответствующую ферромагнитную матрицу, где они поляризуются из-за взаимодействия ядерйого магнитного момента л с эффективным магнитным полем В, действующим в мосте расположения ядер. Для металлов группы железа В = 10...30 Тл. Для ориентации магнитных доменов в среде требуется дополнительное внешнее поле 0,1...1,0 Тл. Статистическая точность, с которой можно определить значение нормированной интенсивности излучения у-квантов, зависит от числа импульсов, полученных за время регистрации. Достаточно иметь один счетчик на направлении, в котором наиболее ярко выражена температурная зависимость излучения. Время, необходимое для накопления достаточного числа импульсов, не должно превышать 30 мин. При изготовлении термометра радиоактивное вещество наносится на металлическую (железную, никелевую или кобальтовую) фольгу с последующим высокотемпературным нагревом для интенсификации процесса диффузии ядер в материал матрицы.

ЯО-термометр прост в градуировке, является хорошим прибором для определения термодинамической температуры ниже 10 мК и используется при градуировке угольных термометров сопротивления и ЯМР-термомет-ров. К преимуществам ЯО-термометров относятся невысокие требования к чистоте решетки, отсутствие проводов. Для регистрации у-излучения в криостате нет необходимости делать специальные окна. Кроме указанных изотопов для ЯО-термометров пригодны также Аи в Fe, iSb, iSb, iSb,

2.14. Термометры, основанные на эффекте Мёссбауэра

Теоретическим обоснованием применения эффекта Мёссбауэра [590, 635] в термометрии служит то, что вероятность поглощения (или испускания) резонансных у-кваитов пропорциональна относительной начальной заселенности р (mg) (или р (т ) соответственно) магнитных подуровней основного (или возбужденного) состояния ядра и квадратам коэффициентов Клебша - Жордана. Отношение интенсивностей двух симметричных линий поглощения (или испускания) от переходов с край}шх подуровней ±т можно представить в виде

р(+т ) / де

А =-:-- = ехр -

P(~mj, \ кТ

где Де, - полное расщепление основного (возбужденного) состояния. Это уравнение позволяет по относительной интенсивности двух симметричных линий поглощения (испускания) определять абсолютную температуру более точно, чем ЯО-термометром. При реализации термометра необходимо подбирать изотоп и матрицу таким образом, чтобы Дбт было того же порядка, что и измеряемая температура. Практически реализован термометр с охлаждаемым поглотителем у-квантов.

Измеряя число резонансных у-квантов /V и N , прошедших через тонкий поглотитель при настройке спектрометра на симметричные линии поглощения, и число квантов N, пришедших к детектору вдали от резонанса, можно определить температуру

Г = -

N

Отметим, что можно определить из формулы, выражающей расстояние между резонансными линиями, Таким образом, получается первич-