магнитная термометрия

МАГНИТНАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ - метод измерения низких температур, основанный на существовании сильной температурной зависимости магн. свойств ряда веществ. В более узком смысле термин "М. т." относится к методу измерения темп-р, в к-ром термометрич. параметром служит магнитная восприимчивость пара-магн. соли или ядерного парамагнетика. В этом методе за магн. темп-ру принимается величина , где С - константа в Кюри законе (иногда вместо закона Кюри используют Кюри-Вейса закон). В области темп-р, в к-рой выполняется закон Кюри, совпадает с абс. термодинамич. темп-рой Т. При понижении темп-ры значения Т и могут существенно различаться. Для установления связи между Т* и Т в этом случае проводят калибровку используемой парамагн. соли, исходя из второго начала термодинамики

где - теплоёмкость, измеренная с помощью магн. термометра, S - энтропия, Н - магн. поле. Величинунаходят экспериментально, адиабатически размагничивая соль от разл. начальных значений магн. поля и вычисляя зависимость S (H)при высоких темп-pax, где парамагн. соль подчиняется закону Кюри. Одновременно измеряют получаемую при размагничивании от данного значения поля темп-ру . Т. о. находят зависимость и соответственно величину , Практически магн. темп-ру переводят в абсолютную, используя таблицы, составленные для ряда солей.

М. т. применяется для измерения как темп-ры магн. подсистемы парамагнетика, так и темп-ры др. подсистем, приведённых в тепловое равновесие с магн. подсистемой. Для измерения темп-р в диапазоне 1/0,01К обычно применяется церий-магниевый нитрат (ЦМН), магн. восприимчивость к-рого подчиняется закону Кюри - Вейса. Этой зависимостью удобно пользоваться до темп-р (Т_с - темп-pa упорядочения, для ЦМН . При более низких темп-pax магн. восприимчивость ЦМН описывается более сложной зависимостью. Для измерения более низких темп-р (до ~1 мК) используют ЦМН, в к-ром Се частично замещён La. Восприимчивость парамагн. соли измеряют мостами перем. тока по сравнению взаимоиндуктивности двух одинаковых катушек, в одной из к-рых находится образец соли, а при малых количествах соли - сверхпроводящим квантовым интерферометром магн. потока - СКИМП (или Сквид)[разрешение по темп-ре =0,001 К^-1 удаётся получить с использованием только 1 мг соли].

Магн. термометр на основе парамагн. соли является вторичным. Его калибруют, определяя константы в законе Кюри или Кюри - Вейса др. методом (по другому термометру), обычно в области темп-р 2-0,5 К. Точность измерения магн. темп-ры в этом диапазоне не превосходит 0,1%.

Для измерения в миллиградусном и микроградусном диапазоне темп-р используют датчики на основе ядерного магнетизма веществ (Си, Al, Tl, Pt, Auln₂), у к-рых ядерная магн. восприимчивость подчиняется закону Кюри. Т. к. ядерная восприимчивость на неск. порядков меньше электронной, особое внимание приходится уделять чистоте используемых веществ. Статич. методы измерения ядерной намагниченности с использованием СКИМПа (сквида) пригодны только для образцов, в к-рых магнетизм электронов не влияет на результаты при всех темп-pax, при к-рых проходят измерения. Насыщение намагниченности электронной составляющей достигается наложением достаточно больших внеш. магн. полей. К преимуществам статич. метода измерения ядерной намагниченности относится малая мощность, выделяемая в термометре, к-рая может быть уменьшена до очень малой величины ( Вт).

Резонансные методы измерения ядерной намагниченности имеют очевидное преимущество по сравнению со статическими, т. к. ларморовские частоты ядер и электронов аримесных атомов различаются на неск. порядков. Используются как непрерывные, так и импульсные методы ядерного магнитного резонанса. В случае ЯМР, осуществляемого в непрерывном режиме, восприимчивость ядер измеряется по величине сигнала поглощения радиочастотного (РЧ-) поля, а в импульсном режиме - по величине сигнала индукции. Методы непрерывного ЯМР позволяют проводить измерения с большей точностью, чем импульсные методы, однако весьма серьёзным мешающим фактором является перегрев ядерной спиновой системы РЧ-полем. При импульсном ЯМР величина сигнала индукции пропорциональна величине намагниченности ядер до подачи РЧ-импульса. Поэтому, увеличивая значение задержки между импульсами, можно контролировать перегрев ядерной спиновой системы.

Наиб. распространён платиновый импульсный ЯМР-термометр. В платине время ядерной спин-решёточной релаксации подчиняется закону Коринги с малой величиной постоянной Коринги что обеспечивает быстрое установление равновесия между темп-рой ядер и электронов проводимости. Кроме того, измерение часто используют для самокалибровки платинового ЯМР-термометра. К перспективным видам М. т. для миллиградусной области темп-р относится использование СКИМПа в методах ЯМР, что позволит существенно уменьшить погрешности измерений за счёт снижения мощности, выделяемой в ядерную спиновую систему.

Лит.: Гольдман М., Спиновая температура и ЯМР в твердых телах, пер. с англ., М., 1972; Лоунасмаа О. В., Принципы и методы получения температуры ниже 1 К, пер. с англ., М., 1977. Ю. М. Бунъков.

   <<      Предметный указатель      >>