Очерки развития термоэлектричества - Низкотемпературные термопары

От материалов термоэлектродов для низкотемпературных термопар требуется прежде всего высокая термо-ЭДС. Выполнение этого требования затруднено тем, что при низких температурах этот параметр для всех металлов и сплавов существенно ниже, чем при высоких температурах. Кроме того, материалы низкотемпературной термопары должны обладать высокой пластичностью для получения тонкой проволоки диаметром 0,2—0,05 мм, поскольку толстая проволока не может быть использована при низких температурах из-за большой теплопроводности. Для измерения низких температур в основном используются железо-константан, медь-константан, медь-копель, хромель-алюмель.
Термопара из меди и константана пригодна для температурных измерений до 40 К, когда ее чувствительность еще достаточно высока и составляет 10 мкВ·К-1. При понижении температуры чувствительность надает: при 10 К — 2,5 мкВ·К-1, а при 4,2 К — 1,2 мкВ·К-1 [5]. Термопарами железо-константан и хромель-константан можно измерять температуры до 20 К [9]. Хромель-константановая термопара рекомендована Национальным бюро стандартов
США для технического применения в диапазоне 75—280 К. Оба ее электрода имеют малую теплоемкость и достаточно высокую термоэлектрическую неоднородность [128].
Η. Н. Сирота, В. В. Петрашко и Ю. А. Семененко (Институт физики твердого тела и полупроводников АН БССР) изучили температурные зависимости медь-константановых, медь-хромелевых, хромель-копелевых, медь-копелевых и хромель-алюмелевых термопар в интервале 4—273 К. Ими установлено, что лучшими метрологическими характеристиками обладают термопары, содержащие копелевую проволоку, поэтому термопары медь — копель и хромель — копель могут быть рекомендованы для проведения низкотемпературных измерений [74].
Для измерений в диапазоне 1—80 К рекомендуются термоэлектрические термометры, у которых электроды изготовлены из серебра с добавкой золота и золота с примесью железа. Особенностью этих материалов является повышение чувствительности при понижении температуры. Л. А. Медведева, Μ. П. Орлова и А. Г. Рабинькин исследовали термопару на основе сплава золото-железо в качестве одного электрода и меди или хромеля в качестве другого в диапазоне температур от 2 до 273 К. Чувствительность термопары при 4 К составляла 15 мкВ · К-1 [55].
Для температурных измерений в диапазоне 2—20 К эффективны сплавы Кондо, представляющие собой твердые растворы, в которых в обыкновенном металле в очень небольших количествах растворены переходные или редкоземельные металлы. Для таких сплавов характерна большая по сравнению со всеми остальными металлами и сплавами термо-ЭДС (некоторые исследователи называют ее «гигантской»). В частности, для низкотемпературных измерений В. М. Бейлиным, И. Я. Левиным, Л. А. Медведевой, Μ. П. Орловой и И. Л. Рогельбергом была создана термопара из сплава меди с 0,15 % железа, которая в сочетании с чистой медью или хромелем в диапазоне температур 10—273 К имела чувствительность, превосходящую по величине чувствительность широко распространенных для низкотемпературных измерений термопар с электродом из золота с добавкой железа [7]. «Гигантской» термо-ЭДС обладают также сплавы палладия с хромом. На основе этих сплавов создана высокочувствительная термопара для измерений в широкой области криогенных температур [8].
В настоящее время в нашей стране наиболее точным средством (погрешность ±0,3 К) для измерения температуры в диапазоне от 70 до 273 К является термопара, составленная из стандартных образцов низкотемпературного копеля и меди. Во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева разработана образцовая медь-копелевая термопара, предназначенная для метрологического обеспечения низкотемпературных измерений с абсолютной погрешностью 0,1 К во всем температурном диапазоне [59].