Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

SQUID-basiertes Rauschthermometer zur Messung thermodynamischer Temperaturen im Tieftemperaturgebiet

23.02.2016

Magnetfeld-Fluktuations-Thermometer (MFFT) sind SQUID-basierte Rauschthermometer die bei tiefen Temperaturen (typisch unterhalb von 5 K) eingesetzt werden. Sie detektieren die Fluktuationen des Magnetfeldes an der Oberfläche eines elektrisch leitenden Körpers („Temperatursensor“), die mit den im Inneren fließenden, thermisch angeregten Strömen verknüpft sind. Durch den neuen, vollständig berechenbaren Sensor ist es erstmals möglich, mit dem pMFFT direkt thermodynamische Tempera-turen zu messen, wodurch die sonst nötige Rückführung auf die internationalen Temperaturskalen ITS-90 und PLTS-2000 entfällt.

Das pMFFT besteht aus vier Hauptkomponenten: (i) einem metallischen Temperatursensor aus hochreinem Kupfer, (ii) zwei planaren, gradiometrischen Detektionsspulen auf einem Si-Chip, die von zwei dc SQUID-Stromsensoren ausgelesen werden (=SQUID-Gradiometer), (iii) einer planaren Kalibrierspule auf einem Si-Chip, (iv) einer 2-Kanal-SQUID-Elektronik. Der zentrale Bereich des Kupferkörpers im Inneren, über dem sich die Detektionsspulen befinden, bildet den eigentlichen Temperatursensor. Dort wird das thermische magnetische Flussrauschen über zwei unabhängige SQUID-Gradiometer gemessen und unter Verwendung der Kreuzkorrelationsmethode ausgewertet, was alle nicht-thermischen Rauschanteile reduziert. Mit bekannter Geometrie und elektrischer Leitfähigkeit des Sensors kann die Temperatur aus den Rauschspektren berechnet werden.

Wirtschaftliche Bedeutung
Sinnvoll ist der Einsatz des pMFFTs als Referenz-Thermometer bei tiefen Temperaturen (<1 K), insbesondere unterhalb von 10 mK. Es deckt dabei den gesamten Temperaturbereich von mindestens 0,9 mK bis 4,2 K ab. Durch die geringe Messunsicherheit ist es für metrologische Anwendungen geeignet. Das pMFFT trifft auf einen wachsenden Markt von Kryotechnik, basierend z.B. auf trockenen 3He/4He-Mischkryostaten mit vielfältigen Anwendungen (z.B. Strahlungs- und Teilchendetektoren, Quantencomputer, Grundlagenforschung).

Entwicklungsstand
pMFFTs der aktuellen, ersten Version sind im Betrieb und werden weiterhin erprobt. Weiterentwicklungen zur Reduzierung der relativen Messunsicherheit sind geplant.
Unter der Nummer DE 10 2014 011 670 B3 wurde ein Patent erteilt. Lizenzen für die Nutzung dieser neuen Methode sind verfügbar.

 Druckversion