PTB-News 2/2002 (142 kB) PTB-News 2/2002, Deutsche Ausgabe, August 2002In dem auch technisch wichtigen Bereich der Flüssig-Helium-Temperaturen von 1,5 K bis 4 K war die erforderliche Stabilitätskontrolle von Thermometern bisher ein aufwändiges Unterfangen. Mit der Lambdapunktzelle hat die PTB jetzt einen einfach handhabbaren Temperaturfixpunkt entwickelt, der vielen Anwendern die Durchführung von Kontrollmessungen ermöglichen wird.
Der Flüssig-Helium-Bereich tiefer Temperaturen ist nicht mehr nur für festkörperphysikalische und Materialuntersuchungen von Interesse, sondern auch für technische Anwendungen wie die Kühlung der supraleitenden Magnete von Kernspintomographen oder Teilchenbeschleunigern. Damit steigt auch der Bedarf an zuverlässigen Tieftemperaturmessungen. Bei mittleren und hohen Genauigkeitsanforderungen ist allerdings die Langzeitstabilität der verfügbaren Thermometer i. a. nicht ausreichend, so dass eine regelmäßige Stabilitätskontrolle erfolgen muss. Hierfür werden Temperaturfixpunkte auf der Basis wohldefinierter Phasenübergangstemperaturen geeigneter Stoffe eingesetzt. Für die Flüssig-Helium-Temperaturen von 1,5 K bis 4 K gab es bisher jedoch nur Fixpunkte, die aufwändige Messungen anderer physikalischer Größen erforderten, etwa des Dampfdrucks.
Im Rahmen eines EU-Projekts wurde jetzt eine für den breiten Einsatz einfach handhabbare, kompakte Lambdapunktzelle entwickelt und untersucht. Am Lambdapunkt bei Tλ = 2,1768 K geht die Quantenflüssigkeit 4He vom supraflüssigen in den normalflüssigen Zustand über. Dies ist allerdings ein Phasenübergang zweiter Ordnung, bei dem keine latente Wärme wie bei Schmelzpunkten auftritt, die zur Temperaturstabilisierung genutzt werden könnte. Mit der neuen Zelle gelingt es dennoch, den Lambdapunkt als Fixpunkt zu nutzen. Dazu wird die Zelle durch Kühlung einer oberen Wärmesenke zunächst auf knapp unter Tλ abgekühlt und dann eine untere Kupferscheibe elektrisch auf knapp über Tλ aufgeheizt. Im Innern bildet sich dann eine Phasengrenze zwischen normalflüssigem (unten) und supraflüssigem (oben) 4He. Der Wärmestrom Q kann so eingestellt werden, dass über lange Zeit stationäre Verhältnisse vorliegen, wenn die obere Wärmesenke ausreichende Standzeit aufweist. Durch die extrem hohe Wärmeleitfähigkeit der supraflüssigen Phase hat das Kupfervolumen der eigentlichen Zelle praktisch die Temperatur Tλ der Phasengrenze. In Tests konnte die Temperatur bereits bis zu 18 Stunden auf wenige µK stabil gehalten werden, wobei ein handelsüblicher Messeinsatz für Heliumtransportgefäße verwendet wurde.
Die neue Lambdapunktzelle gestattet es so, mit einfachen, vielen Anwendern zugänglichen Mitteln ideale Bedingungen zur Überprüfung der Stabilität von Thermometern zu realisieren. Dabei wird ein Unsicherheitsniveau erreicht, das auch den Einsatz der Zelle für die Darstellung der Internationalen Temperaturskala möglich erscheinen lässt.