Горбатий В. Р.

МАТЕРІАЛИ, ЯКІ ЗАСТОСОВУЮТЬ В ЯКР ТЕРМОМЕТРІЇ

Національний університет «Львівська політехніка»

На даний час найточніші вимірювання різних фізичних величин забезпечують квантові перетворювачі, які взяті за основу при створенні багатьох еталонів. В галузі термометрії найперспективнішим квантовим приладом є ЯКР термометр, який грунтується на температурній залежності частоти ядерного квадрупольного резонансу в вибраному термометричному матеріалі.

Ключові слова: Ядерно-квадрупольний резонансний термометр, вимірювання, градуювання, сенсор, точність, стабільність, калібрування, метрологія, управління.

At present the most accurate measurement of various physical quantities provide quantum converters, which are taken as a basis for creating many standards. In the field of thermometry is the most promising quantum devices NQR thermometer based on temperature dependence of nuclear quadrupole resonance frequency in the selected thermoelements material.     

Key words:  a nuclear – quadrupolar resonance thermometer, measurement, graduate, sensor,  accuracy, stability, calibration, metrology, control.

Вступ: температурна залежність частоти ЯКР є фізичною властивістю даної речовини, тобто притаманна даній кристалічній гратці і для хімічно стійких матеріалів має високу стабільність, що визначає

унікальну відтворюваність температурної характеристики.

Мета роботи: теоретичні і експериментальні дослідження, спрямовані на розробку принципів побудови та створення ЯКР термометра.

В ЯКР термометрії одну з найважливіших ролей відіграють властивості термометричних матеріалів, які повинні задовольняти такі умови:

-   Висока фізико-хімічна стабільність кристалічної гратки в різних умовах експлуатації.

-   Максимальна інтенсивність і мінімальна ширина резонансної лінії ЯКР.

-   Висока чутливість частоти ЯКР до температури і нечутливість до інших зовнішніх дій.

-   Простота технології одержання матеріалу і виготовлення потрібної конфігурації сенсора.

Серед значного числа матеріалів (вивчено близько 3000 сполук), вказаним вище вимогам відповідають такі сполуки:

 Таблиця 1

Дослідження показали, що  побудований ЯКР термометр на основі цих матеріалів має наступні тактико-технічні характеристики:

-                      Точність відтворення абсолютної температури і стабільності в часі – (1-0,5) мК.

-                      Відсутність гістерезису.

-                      Широкий діапазон вимірювання.

-                      Одноразово відкалібрований, не вимагає наступних калібрувань, якщо використовується сенсор з одним і тим же термочутливим матеріалом.

З переліку вище згаданих матеріалів найбільш використовуваним і дослідженим є хлорат калію (бертолетова сіль) KClO₃, в якому спостерігається резонанс ядер 35 Cl. Чисті без напружень зразки хлорату калію мають порівняно вузьку резонансну лінію, високу чутливість і відносно високу інтенсивність сигналу ЯКР. Визначення центру лінії ЯКР в хлораті калію з похибкою ±1% від її ширини (тобто 5 Гц).

Характеристики хлорату калію залежать від виготовлення. Наближення кристалічної гратки хлорату калію до ідеального стану досягається шляхом його повторної кристалізації, яка супроводжується очищеним від хімічних домішок. Для зменшення механічних напружень і одержання хлорату калію у вигляді дрібного порошку виготовлені зразки піддають кристалізації.

Дослідження показують, що амплітуда резонансного сигналу в перекристалізованих зразках в 1,5 рази перевищує сигнал в не перекристалізованих. Ширина лінії в  не перекристалізованих і перекристалізованих зразках складає відповідно 900±70Гц і 530±40Гц. Залежність частоти ЯКР у потрійній точці води для різних зразків показана в таблиці 2.

Таблица 2

Тут подані результати вимірювань частоти ЯКР- f_0I в кожному зразку і відхилення f₀-f_0сер  цієї частоти від середнього арифметичного значення резонансної частоти f_0сер в перекристалізованих зразках. Там же наведені еквівалентні температурні відхилення ΔТ. Із таблиці видно, що с.к.в. результатів вимірювань f_0і для перекристалізованих зразків значно менше, ніж для не перекристалізованих (відповідно 0,51 мК і 8,1 мК). Середнє значення частота ЯКР f_0сер = 28213351±2 Гц.

Хлорат калію використовують в діапазоні 10 - 400 К, при температурах нижче 10 К температурна чутливість резонансної частоти практично дорівнює 0, при температурах вище 400 К спостерігають різке зниження інтенсивності сигналу ЯКР в хлораті калію.

А от закис міді є перспективнішим матеріалом для вимірювання підвищених температур, температурна залежність ЯКР 63 Сu Сu₂О якісно досліджена в найширшому діапазоні  від 4 до 870 К. Досліджувались зразки закису міді різної технології виготовлення: поршко-подібний закис міді марки «чистий» і зразки які виготовлялись шляхом окислення.

Нижче в таблиці показано результати вимірювань ширини лінії Δf_1/2i  і амплітуди резонансного сигналу U для зразків закису міді:

Таблица 3

Там же наведені результати вимірювань частоти ЯКР f_0I  в потрійній точці води та їх еквівалентні температурні відхилення ΔТ від середньої резонансної частоти f_0сер =2608040±10 Гц в зразках підвищеної частоти.

Порівняння с.к.в результатів вимірювання f_0сер в найкращих зразках закису міді і хлорату калію (відповідно 23 мК і 0,51 мК) показує, що відтворюваність частоти ЯКР в хлораті калію вища, ніж для закису міді. Порівняно великий розкид параметрів ЯКР в закисі міді пояснюється значною шириною лінії і присутністю залишкових механічних напружень в кристалах.

Висновок: Найширше використовують для побудови первинного перетворювача температури два термометричні матеріали: традиційний хлорат калію, який знайшов виняткове застосування в термометрії, і закис міді, як найперспективнішого матеріалу для розширення верхньої межі температурного діапазону.

Література:

1. Пилип’юк В.Є. Високоточні ЯКР термометри. Дис.канд. ступеня. Львів – 1995р. 
2. Квантовые измерительные преобразователи. / Под ред. Бобкова Ю.Н.- Львов : Вища школа (ЛГУ) 1978. – 180.
3. Ohte A., Iwaoka H. A New Nuclear Quadruple Resonance Standard Thermometer. – Temperature: ist measurement and control in science and industry. – 1982. – V.5. – P. 1173 – 1180.
4. Семин Г.К., Бабушкина Т.А., Якобсон Г.Г., Применение ЯКР в химии.- Ленинград: Химия, 1972. – 535с.
5. Utton D.B. Nuclear Quadruple Resonance Thermometer.  Metrology. – 1987. – V. 3, - P. 98-104.