Магнитный способ измерения термодинамической температуры

Использование: для измерения термодинамической температуры. Сущность заключается в том, что измеряют термодинамическую температуру на основе зависимости от нее магнитной восприимчивости термометрического вещества, связанной с термодинамической температурой законом Кюри, при этом в качестве термометрического вещества используется дисперсия однодоменных наночастиц из ферромагнитного материала, а температура находится по напряженности и индукции магнитного поля внутри термометрического вещества, определяемого по частотам ЯМР. Технический результат: обеспечение возможности измерения термодинамической температуры с высокой достоверностью.

 

Изобретение предназначается для измерения термодинамической температуры с использованием реперной точки термодинамической шкалы температур (тройной точки воды). Его можно применять в метрологии для реализации Международной практической температурной шкалы, а также для измерения термодинамической температуры в различных областях науки и техники.

Известен магнитный способ измерения температуры путем определения электронной магнитной восприимчивости χ_э термометрического вещества, в качестве которого используется парамагнитная соль. (Спр. Температурные измерения, Киев, Наукова думка, 1989, 703 с.). Электронная магнитная восприимчивость связана с температурой законом Кюри:

,

где С_э - константа Кюри.

Измеряемую температуру находят по формуле

,

определив экспериментально при этой температуре магнитную восприимчивость χ_э путем измерения индуктивности радиочастотной катушки, в которую помещена парамагнитная соль. Константа Кюри оценивается теоретически. Для точного измерения термодинамической температуры константа Кюри должна находиться по формуле:

С_э=χ_эТ_р

путем экспериментального определения χ_э при точно известной (реперной) термодинамической температуре Т_р. Диапазон измерения температуры по значению электронной магнитной восприимчивости χ_э практически ограничен температурой ниже 14 K, так как из-за малого значения электронного магнитного момента и, как следствие, константы Кюри С_э, при большей температуре по закону Кюри электронная магнитная восприимчивость становится слишком малой для ее надежного измерения. Поэтому способ не позволяет экспериментально определение С_э при реперной температуре абсолютной термодинамической шкалы (тройной точки воды), значит, он не дает возможности точного измерения термодинамической температуры.

Известен магнитный способ измерения температуры путем определения по амплитуде сигнала ЯМР ядерной магнитной восприимчивости χ_я термометрического вещества, в качестве которого используются диамагнитные металлы (медь, платина). (Спр. Температурные измерения, Киев, Наукова думка, 1989, 703 с.). Ядерная магнитная восприимчивость χ_я связана с термодинамической температурой T законом Кюри:

,

где С_я - константа Кюри.

Измеряемую температуру находят по формуле

,

определив при этой температуре восприимчивость χ_я путем измерения амплитуды сигнала ЯМР от ядер термометрического вещества. Определение магнитной восприимчивости по амплитуде сигнала ЯМР дает большую погрешность из-за зависимости амплитуды от настройки радиосхемы и присутствия шумов. Константу Кюри оценивают теоретически. Для точного измерения термодинамической температуры константу Кюри С_я нужно найти по формуле

С_я=χ_яТ_р,

определив χ_я экспериментально при точно известной (реперной) термодинамической температуре Т_р. Однако из-за малого значения ядерного магнитного момента и, как следствие, константы Кюри С_я, способ применим только для измерения температур ниже 0,5 K, так как при большей температуре ядерная магнитная восприимчивость χ_я по закону Кюри становится слишком малой для ее надежного измерения. В связи с этим способ не позволяет экспериментально определять С_я при реперной температуре абсолютной термодинамической шкалы (тройной точки воды), поэтому он не дает возможности точного измерения термодинамической температуры. Этот способ можно принять за прототип.

В предлагаемом способе в качестве термометрического свойства используется намагниченность J дисперсии однодоменных наночастиц из ферромагнитного материала, связанная с абсолютной температурой T формулой Ланжевена:

J=J_sLa(x),

где J_s - намагниченность насыщения,

L_a - функция Ланжевена,

- параметр Ланжевена,

B - индукция магнитного поля внутри дисперсии,

P - магнитный момент наночастицы,

k - постоянная Больцмана.

Для измерения T удобно использовать участок функции Ланжевена при x<<1, описываемый формулой

,

которая эквивалентна закону Кюри

,

где

- магнитная восприимчивость суспензии однодоменных ферромагнитных наночастиц (µ₀ - магнитная постоянная),

- постоянная Кюри.

При этом температуру можно находить по формуле:

измерив при этой температуре B и J и определив экспериментально С_ф. В связи с тем, что у однодоменных ферромагнитных наночастиц магнитный момент P≈4·10^-19 Ам² в 10⁴ раз больше, чем у электронов и в 10⁷ раз больше, чем у ядер, константа Кюри С_ф у использованного в настоящем способе термометрического вещества, содержащего ферромагнитные наночастицы, гораздо больше, чем константы Кюри у термометрических веществ в рассмотренных выше известных способах. Поэтому предлагаемый способ применим при температуре тройной точки воды - реперной температуре абсолютной термодинамической температурной шкалы Т_р=273,16 K, что позволяет, определив экспериментально магнитную восприимчивость χ_ф при T=Т_р и x<<1, найти точное значение постоянной Кюри

Следовательно, этот способ дает возможность измерять температуру по абсолютной термодинамической шкале. Магнитную восприимчивость находят по формуле (1), намагниченность находят по формуле:

В результате, нахождение термодинамической температуры по формуле (3) сводится к определению индукции B и напряженности H магнитного поля внутри термометрического вещества, которые находят по частоте ЯМР. Измерение магнитного поля по частоте ЯМР является абсолютным и имеет высокую достоверность. Это является достоинством предлагаемого способа. Для определения B и H сигнал ЯМР можно регистрировать в образцах термометрического вещества определенной формы. (А.И.Жерновой, Ю.Р.Рудаков, Патент РФ №2361195, приоритет 9.01.2008, БИ №19, 10.07.2009). Сигнал ЯМР можно регистрировать также в полостях, вырезанных в термометрическом веществе, поместив в них специальные датчики ЯМР. При этом напряженность поля, измеренная в плоской или цилиндрической полости, расположенных параллельно напряженности внешнего поля, равна напряженности поля H внутри вещества, а индукция поля, измеренная в плоской полости, расположенной нормально напряженности внешнего поля, равна индукции поля В внутри вещества. (Калашников С.Г., Электричество, М., 1985 г., 576 с. и Арнольд P.P., Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами, М.: Энергия, 1969 г., 184 с.). При таком способе определения B и H можно применять термометрические вещества, не дающие сигнал ЯМР.

Пример осуществления способа.

Для проверки практической осуществимости предлагаемого способа в качестве термометрического вещества был взят аквазоль наночастиц магнетита размером 14 нм с объемной концентрацией твердой фазы 2,7% и стабилизатором на основе олеиновой кислоты. Магнитная восприимчивость определялась при по формуле (1), где значения J и B в одних опытах находились по частотам сигнала ЯМР, регистрируемого спектрометром ЯМР от протонов дисперсионной среды в образцах термометрического вещества цилиндрической и сферической формы. В других опытах значения J и B находились по частотам сигнала ЯМР протонов чистой воды, регистрируемого в плоских полостях, вырезанных в термометрическом веществе. В качестве датчиков для измерения частоты сигнала ЯМР в полостях, вырезанных в образце термометрического вещества, были применены датчики нутации, представляющие собой радиочастотные катушки, надетые на тонкую трубку, соединяющую кювету, расположенную в сильном постоянном магнитном поле (поляризатор), и датчик для регистрации сигнала ЯМР в воде, протекающей по трубке (анализатор). Напряженность и индукция магнитного поля в датчиках нутации находятся по частотам переменного поля в катушках, при которых происходит изменение полярности сигнала ЯМР в анализаторе. (А.И.Жерновой, Измерение магнитных полей методом нутации, Л, 1979 г., 104 с.). Определение по частотам ЯМР значений B и H в широком диапазоне индукций магнитного поля B показали, что зависимость намагниченности J от индукции B описывается формулой Ланжевена. Экспериментальное значение магнитной восприимчивости χ_ф, найденное по формуле (1) при и T=297 K оказалось равным 0,365. При этом константа Кюри, определенная по формуле (4), составила С_ф≈108 K. Такое же значение получается по формуле (2), где - намагниченность насыщения, найденная по значениям B и H, измеренным при . Независимость С_ф от температуры и индукции магнитного поля была проверена опытами, проведенными при четырех значениях T. Все это подтверждает правильность теоретических предпосылок и возможность практического осуществления предлагаемого способа измерения термодинамической температуры.

Магнитный способ измерения термодинамической температуры, основанный на зависимости от нее магнитной восприимчивости термометрического вещества, связанной с термодинамической температурой законом Кюри, отличающийся тем, что в качестве термометрического вещества используется дисперсия однодоменных наночастиц из ферромагнитного материала, а температура находится по напряженности и индукции магнитного поля внутри термометрического вещества, определяемым по частотам ЯМР.