Wie kalt ist es? Die Messung von kryogenen Temperaturen ist eine komplett andere Welt

Die meisten allgemeinen Temperaturmessungen finden in einem ziemlich begrenzten Bereich zwischen dem Gefrieren und Kochen von Wasser (0 °C bis 100 °C) statt, obwohl es sicherlich viele Situationen gibt, die über diese beiden Werte hinausgehen. Glücklicherweise sind kostengünstige, einfach zu bedienende Halbleitersensoren erhältlich, die für -50 °C bis +125 °C spezifiziert sind. Spezielle Sensoren sind mit einem größeren Bereich erhältlich. Darüber hinaus können Thermoelemente, Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) und sogar Thermistoren viel größere Bereiche abdecken.

So ist beispielsweise der Thermistor PTCSL03T091DT1E von Vishay Components für -40 °C (277 K) bis +165 °C (438 K) ausgelegt, während das Typ-T-Thermoelement R-10318-69 von TE Connectivity Measurement Specialties einen größeren Bereich von -200 °C (73 K) bis +350 °C (623 K) abdeckt. Im Allgemeinen ist es nicht das Problem, einen Sensor für diese Messungen zu finden, sondern es ist vielmehr die Anwendung des Sensors, die Herausforderungen mit sich bringt.

Wenn es richtig heiß wird und sich die Dinge auf Tausende von Grad erhitzen, sind die Möglichkeiten der Sensoren eingeschränkt. In der Regel besteht die Wahl zwischen Thermoelementen verschiedener Art oder einer Infrarot-Sensoranordnung. Da die zu messende Quelle eine hohe Temperatur hat, hat sie eine Menge Energie, die vom Sensor mit minimaler Auswirkung auf diese Quelle aufgenommen werden muss.

Aber was ist mit der Messung jener wirklich sehr niedrigen Temperaturen, jener, die im niedrigen zweistelligen Bereich (einige Dutzend K), im einstelligen Bereich (1 bis 9 K) oder sogar unterhalb des einstelligen Bereichs (<1 K) liegen? Es gibt sogar Forschungen bei 0,01 K und ein kürzlich erschienener Artikel in der Zeitschrift IEEE Spectrum: "Quantum Computing: Atomuhren sorgen für langlebigere Qubits" erörterte die Forschung unter 100 nK. Wie man überhaupt so weit in den extrem niedrigen Temperaturbereich kommt, ist eine andere faszinierende Geschichte!) Aber woher weiß man so genau, wo man sich befindet, wenn man mit so extrem niedrigen Temperaturen arbeitet? Genaue, glaubwürdige Messungen dieser kryogenen Temperaturen sind aus mehreren Gründen eine sehr seltsame Welt:

  • Erstens, während die Gesetze der Physik offensichtlich noch in Kraft sind, machen die Materialien große Übergänge durch und ihre Eigenschaften und Verhaltensweisen ändern sich radikal. Die Sensorleistung, Linearität und andere kritische Attribute verschieben sich dramatisch in den unteren K-Bereichen. Während wir uns ganz wohl dabei fühlen, dass Wasser zu Eis oder Dampf wird, sind die Veränderungen im unteren K-Bereich viel schwieriger zu erfassen.
  • Zweitens ist der Messansatz in der Regel mit Methoden verknüpft, die zum Erreichen dieser Temperaturen eingesetzt werden. Beispielsweise sind Multi-Tesla-Magnetfelder oft ein wesentlicher Bestandteil eines Unterkühlungssystems (wie und warum ist eine andere Geschichte), und diese Felder haben einen großen Einfluss auf die Sensoranordnung und ihre Komponenten.
  • Drittens sind Projekte bei tiefen kryogenen Temperaturen oft mit extrem geringen Massen verbunden; in einigen Fällen können es nur wenige Atome oder Moleküle sein. Man hat also ein doppeltes Problem: Moleküle mit geringer Energie, und eine geringe Menge dieser Moleküle. Man kann offensichtlich keinen Sensor anbringen, und selbst wenn man es könnte, würde der Sensor die zu messende Substanz ernsthaft beeinträchtigen. In vielerlei Hinsicht ist es eine logische Folge von Heisenbergs Unschärferelation der Quantenphysik, bei dem der Akt der Messung das zu Messende beeinflusst.

Abbildung 1: Verschiedene Materialien können bei überraschend niedrigen K-Werten verwendet werden; beachten Sie, dass die vertikale Skala nicht linear ist. CLTS ist ein kryogener linearer Temperatursensor, ein flacher flexibler Sensor, der Manganin- und Nickelfolienmessgitter umfasst, RuO2 ist Ruthenium-Oxid. (Bildquelle: ICE Oxford Ltd.)

Dennoch müssen Wissenschaftler und Forscher diese Messungen durchführen. Sie können zwischen verschiedenen Möglichkeiten auswählen, je nachdem, wie niedrig die Temperaturen sind und was sie messen (feste Masse, Moleküle in einem gasähnlichen Cluster oder einzelne Moleküle), und es gibt viel Forschung und viele praktische Anwendungen im Bereich nahe 0 K. Relativ gesehen haben es diejenigen, die sich mit flüssigem Sauerstoff (90 K, -183 °C) und Wasserstoff (20 K, -253 °C) für Raketentreibstoff befassen, leicht, ebenso wie diejenigen, die mit Stickstoff (77 K, -196 °C) arbeiten. Im Gegensatz dazu ist flüssiges Helium mit etwa 4 K (-269 °C) viel schwieriger zu beurteilen, wird aber dennoch verwendet, um die Magnete von MRT-Geräten bis in ihre supraleitenden Bereiche zu kühlen.

Der Schlüssel zur Durchführung von Temperaturmessungen liegt darin, immer daran zu denken, dass das, was wir "Temperatur" nennen, in Wirklichkeit ein Maß für die Energie dessen ist, was gemessen wird. Wie bei fast allen Temperaturmessungen müssen Anwender zunächst drei Spezifikationen berücksichtigen: welchen Bereich sie abdecken müssen, welche absolute Genauigkeit sie benötigen und mit welcher Präzision (Auflösung) sie messen müssen. Dann müssen sie die Auswirkungen ihrer Messanordnung bei diesen Temperaturen beurteilen.

Etwas überraschend ist, dass einige Sensoren, die bei "normaleren" Temperaturen üblich sind, sogar bis hinunter in den hohen einstelligen Bereich arbeiten können (Abbildung 1). Zu diesen Optionen gehören RTDs (mit Platin oder Rhodium-Eisen), Germanium und sogar klassische Widerstände auf Kohlenstoffbasis. Die intensiven Magnetfelder dieser Anordnungen können jedoch Sensorfehler von wenigen K induzieren. Die Forschungsrealität ist, dass es so viel Nachfrage nach Messungen im niedrigen K-Bereich gibt, dass diese Transducer Standardkatalogartikel sind, die bei vielen Anbietern erhältlich sind (was ziemlich erstaunlich ist, wenn man darüber nachdenkt).

Komplexere Optionen beinhalten die Verwendung der Brillouin-Streuung in Glasfasern und anderen anspruchsvollen optischen Techniken. Doch auch der "bescheidene" Kondensator kann in einer Brückenanordnung eingesetzt werden, bei der sich seine physikalischen Abmessungen und Form - und damit seine Kapazität - in einem bekannten Verhältnis als sorgfältig modellierte Temperaturfunktion ändern.

Aber diese Techniken werden nicht funktionieren, um die Temperatur von kleinen Mengen von Molekülen zu messen. In solchen Situationen sind einige sehr esoterische Ansätze erforderlich. Eine Anordnung durchläuft ein intensives Magnetfeld mit einem präzisen Gradienten um das eingeschlossene Ziel herum und beobachtet dann, wie sich seine Moleküle entlang dieses Feldes verteilen und zeigt ihre Energie und damit die Temperatur an. Ein anderes Schema verwendet Laser, um die Moleküle anzuschubsen, wobei die Menge der Laserenergie im Vergleich zur resultierenden Bewegung die Zielenergie anzeigt. Diese und andere komplexe Methoden sind nicht nur schwierig einzurichten, sondern erfordern zahlreiche Korrekturen und Kompensationen für Feinheiten zweiter und dritter Ordnung ihrer Physik sowie Systemstörungen.

Wenn Sie also das nächste Mal das Bedürfnis verspüren, sich darüber zu beschweren, wie schwer Ihr Temperaturmessszenario ist, denken Sie nur an diejenigen, die im unteren K-Bereich arbeiten, bis hinunter zu und sogar unter 1 K. Es ist eine gruselige Welt da unten, und jeder Forscher muss sich auch die Frage der ewigen Instrumentierung stellen und sie beantworten: "Wie kalibriere, bestätige und validiere ich meine Messwerte?" Das ist fast schon ein Albtraum!

Über den Autor

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Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.

Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.

Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.

Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.

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