Logo PTB

Darstellung der provisorischen Tieftemperaturskala PLTS-2000

International vereinbarte Temperaturskalen dienen der Einheitlichkeit, Vergleichbarkeit  und Reproduzierbarkeit der Temperaturmessung weltweit. Generell basieren sie auf festgelegten Temperaturfixpunkten und Interpolationsthermometern. Als Temperaturfixpunkte wählt man im Allgemeinen Phasenübergänge hochreiner Materialien, wie Schmelz-, Erstarrungs- oder Tripelpunkte.

Die PLTS-2000 [1] wurde im Jahr 2000 vom Comité International des Poids et Mesures (CIPM) als internationale Tieftemperaturskala für den Temperaturbereich von 0,000902 K bis 1,0 K in Kraft gesetzt. Zu ihrer Aufstellung hat die PTB wesentlich mit beigetragen [2]. Sie ist die Temperaturskala für den extremen Tieftemperaturbereich in der Nähe des absoluten Nullpunkts der Temperatur und wird über die Temperaturabhängigkeit des Schmelzdrucks des Helium-Isotops 3He in Form eines Polynoms definiert. Das bedeutet, dass die PLTS-2000 auf dem Phasengleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase von 3He beruht. Dadurch ist eine hohe Reproduzierbarkeit und Auflösung von Tieftemperaturmessungen gewährleistet. Die Abhängigkeit des 3He-Schmelzdrucks p3He von der Temperatur T2000 ist in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 1. Abhängigkeit des 3He-Schmelzdrucks p3He von der Temperatur T2000. Die Inserts zeigen beispielhaft die Messung des 3He-Schmelzdrucks an den Fixpunkten bei Variation der Temperatur mit der Zeit.

Die Rauten markieren Fixpunkte auf der Schmelzdruckkurve mit den Temperaturen TMin , TA, TA-B und TNéel für das Minimum der Schmelzdruckkurve, den Übergang von der normal-fluiden in die suprafluide A-Phase, den Übergang von der suprafluiden A- in die suprafluide B-Phase und den  Néel-Punkt des magnetischen Phasenübergangs in der festen Phase des 3He. Die entsprechenden Werte für Druck und Temperatur sind in der Definition der PLTS-2000 festgelegt und in Tabelle 1 angegeben. Die Temperaturmessung mit Hilfe des 3He-Schmelzdrucks besteht nun in der Bestimmung des Drucks in einer speziellen Messzelle, in der sich das 3He unter entsprechendem Druck im Gleichgewichtszustand befindet. Der Gleichgewichtszustand garantiert, dass sich der Schmelzdruck des 3He mit Temperaturänderung entlang der gezeigten Kurve bewegt. Ein großer Vorteil der 3He-Schmelzdruckthermometrie ist der Fakt, dass der Drucksensor direkt bei tiefen Temperaturen an den in Tabelle 1 aufgeführten Fixpunkten kalibriert werden kann. Ist der 3He-Schmeldruck gemessen, kann die Temperatur über ein Polynom 13. Ordnung entsprechend der Definition der PLTS-2000 berechnet werden. Das Interpolationsinstrument ist also im Fall der PLTS-2000 der sich kontinuierlich mit der Temperatur ändernde 3He-Schmelzdruck selbst.

Tabelle 1. Druck- und Temperaturwerte für die Fixpunkte des 3He-Schmelzdrucks entsprechend der PLTS-2000.

 

Fixpunkt p3He / MPa T2000 / K
Minimum 2,93113 0,315 240
A-Übergang 3,43407 0,002 444
A-B-Übergang 3,43609 0,001 896
Néel-Übergang 3,43934 0,000 902

 

Die Erzeugung der notwendigen tiefen Temperaturen erfolgt in speziellen Tieftemperaturanalgen, sogenannten Kryostaten [3]. Die Vorgehensweise, wie die Temperaturskala PLTS-2000 in der Praxis realisiert werden kann, ist in [4] ausführlich dokumentiert. Ein Überblick über die aktuelle Tieftemperaturthermometrie an der PTB ist hier zu finden [5]. Die Weitergabe der PLTS-2000 an Kunden erfolgt über die Kalibrierung von Thermometern und Tieftemperatur- Referenzpunkten.

Literatur

  1. Comité International des Poids et Mesures (CIPM), 2000, The provisional low temperature scale from 0.9mK to 1K, PLTS-2000, Appendix to recommendation C1. http://www.bipm.org/en/committees/cc/cct/publications-cc.html
  2. Rusby R L, Durieux M, Reesink A L, Hudson R P, Schuster G, Kühne M, Fogle WE, Soulen R J, Adams ED, 2002, The provisional low temperature scale from 0.9 mK to 1K, PLTS-2000, J. Low Temp. Phys. 126, 633–642. (doi:10.1023/A:1013791823354)
  3. https://de.wikipedia.org/wiki/Kryostat, abgerufen 21.04.2016
  4. Guides to Thermometry finden Sie ebenfalls unter folgendem Link: http://www.bipm.org/en/committees/cc/cct/publications-cc.html
  5. Engert J, Heyer D, Fischer J, 2013, Low-Temperature Thermometry Below 1 K at PTB, AIP Conf. Proc. 1552, 136. (doi: 10.1063/1.4819528)