Thermometrie bei tiefen Temperaturen

Thermometrie bei tiefen Temperaturen

Thermometrie bei tiefen Temperaturen
4-He-Bad-Kryostat mit zugehörigem Vakuumsystem

Ziel des Versuchs ist eine Einführung in den Umgang mit Tieftemperatur-Technik. Sie werden sich mit der Problematik der Kühlung und der Temperaturmessung unterhalb von 4,2 K auseinandersetzen und Gelegenheit erhalten, den Umgang mit teilweise empfindlichen Vakuumaufbauten und mit flüssigem Helium zu erlernen.

In der Physik – insbesondere in der Festkörperphysik – ist die Temperaturabhängigkeit von Naturphänomenen von großer Bedeutung (Beispiel: Supraleitung). Aus diesem Grund werden bereits seit über hundert Jahren große Anstrengungen unternommen, immer tiefere Temperturen zu erreichen. Neben der Erzeugung ist die Messung dieser Temperaturen ein entscheidendes Problem. Die aktuell gültige Meßvorschrift im Bereich oberhalb von 0,65 K ist in der „Internationalen Temperaturskala“ von 1990 festgelegt.

In diesem Versuch werden in einem 4He-Badkryostaten Temperaturen von 4,2 bis 1,6 K erzeugt. Zum Erreichen des Bereichs unterhalb des Siedepunkts von 4He wird Heliumgas über der Flüssigkeit abgepumpt und durch Entzug von Verdampfungsenthalpie zusätzliche gekühlt. In dem Kryostaten befindet sich eine paramagnetische Substanz, deren Suszeptibilität gemessen wird. Zur Messung der Suszeptibilität nutzt man die Abhängigkeit der Induktivität einer Spule von den magnetischen Bedingungen in ihrem Inneren. Durch einen Vergleich von Helium-Dampfdruck und Suszeptibilität kann der Paramagnet als Thermometer geeicht werden. In der anschießenden Aufwärmphase wird dieses Thermometer genutzt, um durch Beobachtung des Zeitverlaufs der Temperatur und der verdampfenden Menge an 4He das Verhalten der Wärmekapazität von 4He am Lambda-Punkt zu bestimmen.

Literaturim Studienzentrum Physik, Gebäude S2|06

Eine Literaturmappe zum Versuch ist erhältlich im Studienzentrum Physik, Gebäude S2|06

  1. Ashcroft, Mermin, Introduction to Solid State Physics, Kap. 6
  2. Becker, Theorie der Wärme, Seite 16ff.
  3. Eder, Einführung in die Physik der tiefen Temperaturen, S. 52-59
  4. Hellwege, Einführung in die Festkörperphysik II, Kap. 21
  5. Kittel, Krömer, Physik der Wärme, 2. Aufl., Kap. 7 + 12
  6. Lounasmaa, Experimental Prinziples and Methods Below 1K, Academic Press (1974)
  7. Pobell, Matter and Methods at Low Temperatures, Springer (1992)
  8. Richardson, Smith, Experimental Techniques in Condensed Matter Physics at Low Temperatures, Addison-Wesley (1988)
  9. Fastowski, Petrowski, Rowinski, Kryotechnik, Akademie-Verlag (1970)