Термомагнитный метод измерения температуры

Метод основан на зависимости магнитной восприимчивости пара­магнитных веществ или ядерной магнитной восприимчивости от температуры. В соответствии с законом Кюри - Вейса магнитная восприимчивость обратно пропорциональна абсолютной температуре

, (1.1)

где С - коэффициент, пропорциональный константе Кюри, индуктивности изме­рительной катушки и фактору заполнения катушки образцом;

а - поправка, зависящая от формы образца, плотности и взаимодействия

ионов;

δ - поправка, учитывающая штарковское расщепление и диполь-дипольное взаимодействие.

При использовании термомагнитного метода измеряемой величиной явля­ется магнитная восприимчивость парамагнитных солей или ядерная магнитная восприимчивость металлов, например меди или платины. Измерение магнитной восприимчивости парамагнитных солей обычно производится путем измерения индуктивности или взаимной индуктивности катушки с сердечником из термо­метрического вещества. Преимуществами метода являются отсутствие система­тических погрешностей, свойственных газовым и акустическим методам, высокая чувствительность, которая растет с понижением температуры (при 2 мК порог чувствительности составляет 1·10^-4 мК), высокая воспроизводимость по срав­нению с другими методами измерений термодинамической температуры.

Термомагнитный метод в основном применяется при измерении температур 10^-3-4 К. В качестве термометрического вещества используются монокристаллы нитрата церия-магния (в диапазоие температур 0,1-4 К), сульфат аммония­-марганца (1,8-4 К), нитрат церия-лантана-магния для температур ниже 2 мК. Также используется метод магнитной термометрии для исследования отклонений шкалы МПТШ-68 от термодинамиче­ской шкалы в диапазоне от температуры тройной точки водорода 13,81 К до 30 К. В качестве термометрического вещества применен поликристаллический образец марганцево-аммониевого сульфата Мn(NН₄)₂(SО₄)₂·6Н₂О, для кото­рого а = 6 мК, а δ≈0.

Для того чтобы погрешность измерения температуры не превышала 1 мК при измерении температуры 20 К, необходимо производить относительные из­мерения восприимчивости с погрешностью 5·10^-5. Для этой цели используется специальный мост для измерения взаимной индуктивности. Известно создание магнитной температурной шкалы для диапазона температур 1-83 К.

Для измерений температуры в диапазоне 0,001-0,3 К в качестве термомет­рического вещества используются металлы (медь, платина), для которых мето­дом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) определяется зависимость ядерной магнитной восприимчи­вости χ_я от абсолютной температуры Т:

, (1.2)

где N - число ядер в единице объема;

g - фактор магнитного расщепления (g-фактор);

μ_я - ядерный магнетон;

I - спин ядра;

k - постоянная Больц­мана.

Значения χ_я определяются по сигналу ЯМР, амплитуда которого линейно зависит от ядерной магнитной восприимчивости и, следовательно, от 1/T,поскольку все величины в выражении 1.2, кроме χ_я и Т,являются физиче­скими константами.

Рисунок 1.2 - Зависимость сигнала ЯМР при резонансе ядер пла­тины от обратного значения температуры 1/T

На рисунке 1.2 показана зависимость сигнала ЯМР при резонансе ядер пла­тины от обратного значения температуры 1/T в интервале температур 0,55­-275 мК. Погрешность линейности полученной зависимости не более 1%. Гра­дуировка ЯМР-термометра в точках 1-6 проводилась по показаниям германие­вого термометра, который, в свою очередь, был отградуирован до 30 мК по кривой плавления ³Не, а в точке 7 - по термомагнитному термометру на основе цериево-магниевого нитрата. Датчик ЯМР-термометра (рисунок 1.3) выполнен в виде жгута 1 длиной 14 мм, массой 0,14 г из 950 платиновых проволочек диа­метром 25 мкм в кварцевой изоляции, находящегося в катушке с индуктивно­стью 0,65 Гн из 1500 витков медной проволоки.

Рисунок 1.3 - Датчик ЯМР-термометра

Катушка 2 с образцом из платиновых проволочек представляет собой дат­чик ЯМР, включаемый в контур LC-генератора. Измерительная цепь ЯМР-тер­мометра аналогична измерительной цепи ЯМР-тесламетра.

Зависимость, представленная на рисунке 1.2, была определена в постоянном магнитном поле с индукцией В=0,0260 Тл, что соответствует частоте ЯМР 250 кГц. Ми­нимальная, измеренная этим методом тем­пература 0,55 мК была определена с по­грешностью 5 %.

Существенное повышение чувствитель­ности термомагнитных термометров для из­мерения сверхнизких температур достигнуто путем использования для измерения магнитной восприимчивости магнитометров и градиентометров со сверхпроводящим квантовым интерференционным датчиком (СКВИДом), основанным на эффекте Джозефсона. Высокая чувствительность СКВИДов расширяет воз­можности термомагнитного метода, поскольку при их использовании можно силь­но уменьшить размеры, а следовательно, и тепло­емкость термочувствитель­ного элемента, что осо­бенно важно при измере­нии низких температур.

Применение СКВИДов для измерения ядерной магнитной восприимчивости металлов, например меди, расширяет предел измеряемых температур в сторону низких температур до 2 – 10 мК при пороге чувствительности 1· 10^-4 мК.