Измерение температуры методом ядерного квадрупольного резонанса

Эти измерения основаны на зависимости от температуры частоты прецессии атомных ядер, обладающих электрическим квадрупольным моментом. Этот момент обуслов­лен отклонением распределения заряда ядра от сферической сим­метрии и имеет место у ядер, спин которых I≥1. Взаимодействие квадрупольных моментов ядер с электрическим полем кристал­лической решетки вызывает прецессию ядер с частотой

f_якр=eQq_zz/(2h), (1.11)

где e - заряд электрона;

Q - квадрупольный момент ядра;

q_zz -составляющие тензора градиента электрического поля;

h - постоянная Планка.

Градиент электрического поля решетки зависит от темпера­туры, что обусловливает температурную зависимость частоты ЯКР и позволяет применить ЯКР для измерения темпера­туры.

В большинстве веществ с понижением температуры частота ЯКР возрастает. Частота ЯКР в различных веществах находится в пределах 20 кГц - 1000 МГц. Для измерения температур в ди­апазоне 10-600 К в качестве термометрического вещества наи­более Подходящим является соль КСlО₃, в которой опреде­ляется частота ЯКР ядер ³⁵Cl. При температурах до 870 К ис­пользуется ЯКР ядер ⁶³Сu в Сu₂O или ядер Re в соли NaReO₄.

Рисунок 1.7 – Графики зависимостей а) f_ЯКР=F(Т) и б) df_якр/dТ_х=F(Т_х)

Все термометры, в которых используется ЯКР одних и тех же ядер в образцах данного химического состава, имеют одинаковую и стабильную зависимость частоты ЯКР от температуры. Благо­даря этому ЯКР-термометры не нуждаются в градуировке, если эта зависимость однажды определена по реперным точкам тем­пературной шкалы. Недостатком ЯКР-термометров является не­линейность зависимости f=F(T) вследствие чего чувствитель­ность df/dT является функцией температуры. На рисунке 1.7, а по­казаны зависимости f_ЯКР=F(Т) для ядер ³⁵Сl в КСlO₃, для ядер ⁶³Cu в СuО₂ и для ядер Re в NaRe04, а на рисунке 1.7, б - зависимость df_якр/dТ_х=F(Т_х) для ядер ^З5Сl в КСlO₃ и погрешность из­мерения температуры ΔТ. При температуре 290 К чувствитель­ность достигает 5,8 кГц/К.

На рисунке 1.8 представлена структурная схема цифрового автоматического ЯКР-термометра, состоящего из датчика темпе­ратуры 1, LC-генератора высокой частоты (ГВЧ) 2 с цепью авто­матического поиска и настройки на частоту ЯКР, микропроцес­сора 3 для линеаризации зависимости f_ЯКР=F(Т_х) и получения ре­зультата измерения температуры непосредственно по цифровому отсчетному устройству 4. Датчик ЯКР состоит из герметичного корпуса, в который помещен образец термометрического веще­ства (КСlО₃) с катушкой L, которая является индуктивностью ГВЧ, работающего в режиме вынужденных колебаний.

Для расчета температуры по частоте ЯКР fякр используется формула

(1.12)

где f_0якр= 28,213324 МГц - частота ЯКР ядер ³⁵Сl при Т_x= 293 К;

п=6 при работе в диапазоне температур Т_x=87,7-178,7 К и n=7 при Т_x=178,7-297 К;

R_i - коэффициенты, рассчитываемые ме­тодом наименьших квадратов.

Рисунок 1.8 - Структурная схема цифрового автоматического ЯКР-термометра.

Термометр обеспечивает измерение температур в диапазоне 77-374 К с абсолютной погрешностью 0,001 К. Чувствительность прибора при Т=300К составляет 5 кГц/К. На частоту ЯКР влияет изменение давления. При 300 К изменение давления на 10⁵ Па эквивалентно уменьшению темпе­ратуры на 6 мК. Магнитное поле вызывает уширение резонанс­ного сигнала, поэтому датчик необходимо экранировать.

Стабильность и универсальность градуировочных характери­стик ЯКР-термометров в сочетании с частотным выходом позво­ляют использовать такие приборы для дистанционных измерений температуры в метрологии и океанографии. Метод ЯКР Приме­няется также для создания вторичных эталонов температуры, в частности для воспроизведения практической температурной шкалы.