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Neue Tieftemperaturskala der PTB

Im Tieftemperaturbereich zwischen 0,65 K und 1 K gibt es derzeit zwei überlappende, aber unterschiedliche Internationale Temperaturskalen. Die neue, 2006 fertiggestellte PTB-Skala für das Temperaturintervall von 0,65 K bis 3,2 K (kurz PTB-2006) zeigt jetzt, wie beide Skalen in einer künftigen verbesserten Internationalen Temperaturskala zusammengeführt werden können.

Vor einer 3He-Dampfdruckzelle mit eingesetzten Rhodium-Eisen-Widerstandsthermometern sind die Definitionsbereiche der Temperaturskalen ITS-90, PLTS-2000 und PTB-2006 auf der logarithmischen Temperaturachse markiert.

Der Temperaturbereich unterhalb von 1 K ist von Interesse für Grundlagenuntersuchungen und für messtechnische Anwendungen wie den Einsatz hochempfindlicher Detektoren und Bolometer. Produzenten und Anwender kryotechnischer Anlagen können für rückführbare Temperaturmessungen zurzeit auf zwei Temperaturskalen zurückgreifen: die Vorläufige Tieftemperaturskala PLTS-2000 und die Internationale Temperaturskala ITS-90, deren Überlappbereich von 0,65 K bis 1 K reicht. Mit abnehmender Temperatur weichen die Skalen jedoch nahe 0,65 K deutlich voneinander ab. Dabei ist bekannt, dass die ITS-90 im Gegensatz zur PLTS-2000 im Überlappbereich deutliche Abweichungen von der thermodynamischen Temperaturskala aufweist. Aufgabe der PTB-2006 ist es, diesen inakzeptablen Zustand zu überwinden.

Für das Temperaturintervall von 0,65 K bis 3,2 K gibt die ITS-90 ein spezielles Polynom vor, mit dem die Temperatur T90 aus dem gemessenen Dampfdruck von 3He zu ermitteln ist. Die PLTS-2000 nutzt analog den Schmelzdruck von 3He zur Temperaturbestimmung. Idealerweise müsste man bei derselben Temperatur sowohl den Dampf- als auch den Schmelzdruck des 3He messen, um die beiden Skalen zur Deckung zu bringen. Da ein solcher direkter Vergleich aus kryotechnischen Gründen bisher nicht möglich ist, wurde für die Aufstellung der PTB-2006 ein indirekter Vergleich über sehr stabile Rhodium-Eisen-Widerstandsthermometer gewählt. In mehreren Teilschritten wurde ein Datensatz für die Temperaturabhängigkeit des 3He-Dampfdrucks bestimmt, der den Gesamtbereich von 0,65 K bis 3,2 K abdeckt. Dieser Datensatz sowie ein angepasstes neues 3He-Dampfdruckpolynom wurden kürzlich veröffentlicht.

Mit der PTB-2006 steht nun eine neue 3He-Dampfdruckskala zur Verfügung, die insgesamt konsistent mit der thermodynamischen Temperaturskala ist, oberhalb von 2 K in die ITS-90 und unterhalb von 1 K in die PLTS-2000 übergeht und zwischen 0,65 K und 1 K im Vergleich zur ITS-90 nur noch ein Drittel der Unsicherheit aufweist.

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