CS244720B1

CS244720B1 - Apparatus for indication of very low temperatures

Info

Publication number: CS244720B1
Application number: CS849199A
Authority: CS
Inventors: Vladimir Rysanek
Original assignee: Vladimir Rysanek
Priority date: 1984-11-29
Filing date: 1984-11-29
Publication date: 1986-08-14
Also published as: CS919984A1

Abstract

Účelem zařízení je indikovat velmi nízké teploty v rozmezí zhruba Gh,05 až 20 °K bez nutnosti spojeni chlazeného objektu a měřiče elektricky vodivým spojem. Tohoto cíle se dosáhne indikačním zaří zením. Indikační zařízení je tvořeno magne tem, pod nímž je umístěna výkyvná podložka. Na jejím jednom rameni, a to pod magnetem, je umístěn indikační prvek (1) ze supravodi vého materiálu. Indikačním prvkem prochází nebo je na něm pevně uloženo jedno světlo- vodné vlákno (4) , jehož jeden konec je upev něn v jednom držáku (5) . Proti tomuto konci je opticky souose umístěn světelný zdroj se soustředujícím optickým členem. Druhý konec světlovodného vlákna (4) je vyveden mimo indikační prvek (1) a proti němu je opticky souose umístěno druhé světlovodné vlákno (6) , upevněné ve druhém držáku (7) . Proti vnějšímu konci světlovodného vlákna (6) je opticky souose umístěn optický indi kátor.Purpose equipment Yippee Indicate very low temperature in range roughly Gh, 05 to 20 ° K without necessity connection chilled object and meters electric conductive spojem. This goals se reaches indicating September # tion. Indication equipment Yippee formed magne # tem, under by whom Yippee located swinging washer. On her one shoulder, and it under with a magnet Yippee placed indication element (1) that supravodi # tive material. Indication element going through or Yippee on him firmly saved one light- aqueous fiber (4) , whose one end Yippee fix # nn in one holder (5) . Against this end Yippee optical souose placed luminous source se concentrating optical member. Second end light-guide fibers (4) Yippee vyveden outside indication element (1) and against him Yippee optical souose placed second fiber-optic fiber (6) , fixed ve second holder (7) . Against external end light-guide fibers (6) Yippee optical souose placed optical indi kátor.

Description

Vynález se týká zařízení pro přesnou indikaci nízkých teplot.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a device for accurate low temperature indication.

Pro měření velmi nízkých teplot v rozmezí 0,05 až 20,5 K je používáno řady metod, odvozených od změn fyzikálních vlastností ochlazených látek. Běžně se užívá k určení nízkých teplot měřičů založených na změně tlaku v uzavřeném objemu při jeho zchlazeni nebo měření změn odporu supravodivých nebo heterogenních odporových materiálů. Rovněž měřiče nebo indikátory teplot, využívající změn proudu procházejícího homogenním nebo PN přechodem opatřeným polovodičem mají řadu technických aplikací a využití. Je známo i využití Meissmerova jevu, tj. dokonalé diamagnetičnosti supravodičů, kde se vyhodnocení dosaženého stavu zjištuje elektricky.A number of methods are used for measuring very low temperatures in the range 0.05 to 20.5 K, derived from changes in the physical properties of the cooled substances. It is commonly used to determine the low temperatures of meters based on the change in pressure in a closed volume when it is cooled or to measure the changes in resistance of superconducting or heterogeneous resistive materials. Also, temperature meters or indicators using changes in current passing through a homogeneous or PN junction equipped with a semiconductor have a number of technical applications and applications. It is also known to use the Meissmer effect, ie perfect diamagneticity of superconductors, where the evaluation of the achieved state is determined electrically.

Popsané způsoby mají řadu nevýhod, zejména v trvalé kalibraci metod užívajících změny odporu nebo proudu s teplotou, vyjma metody užívající k určení supravodivosti. Tato metoda má však nevýhody v tom, že materiál přecházející do supravodivého stavu indikuje pouze přechodovou. teplotu a před dosažením této teploty průchodem měřicího proudu se ohřívá a tím je měřicí systém ohříván nad teplotu měřeného objektu. Po dosažení supravodivého stavu se měrný element postupně dostává na shodnou teplotu s měřeným objektem, ale rozdíl v teplotě supravodivého stavu měrného elementu a měřeného objektu nelze přesně stanovit. Tyto metody včetně metod,’ využívající Meissnerova-Ochsenfeldova jevu pak mají. společnou nevýhodu v tom, že musí být spojeny elektrickým vodivým spojem z chlazeného objektu k měřiči a tento spoj představuje nežádoucí tepelné vodivé spojení, zhoršující izolaci a tím i účinnost chlazení. Nevýhodou je i složité vyhodnocovací zařízení.The methods described have a number of drawbacks, particularly in the permanent calibration of methods using changes in resistance or current with temperature, except for methods using to determine superconductivity. However, this method has drawbacks in that the superconducting material indicates only the transition. temperature and before reaching this temperature by passing the measuring current is heated and thus the measuring system is heated above the temperature of the measured object. After reaching the superconducting state, the measuring element gradually reaches the same temperature with the measured object, but the difference in the temperature of the superconducting state of the measuring element and the measured object cannot be accurately determined. These methods, including those using Meissner-Ochsenfeld effect, then have. the common disadvantage is that they must be connected by an electrical conductive connection from the cooled object to the meter and this connection constitutes an undesirable thermal conductive connection, deteriorating the insulation and hence cooling efficiency. Another disadvantage is the complex evaluation device.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro přesnou indikaci velmi nízkých teplot podle vynálezu, kde chlazený objekt je tepelně vodivě spojen se supravodivým indikačním prvkem, jehož permeabilita při dosažení sledované kritické teploty dosáhne nulové hodnoty. Tato změna permeability se projeví pomocí magnetu mechanicky a vyhodnotí opticky.The above-mentioned drawbacks are eliminated by the device for accurate indication of very low temperatures according to the invention, wherein the cooled object is thermally conductively connected to a superconducting indicating element whose permeability reaches zero value when the monitored critical temperature is reached. This change in permeability is expressed mechanically and evaluated optically.

Podstatou indikačního zařízení velmi nízkých teplot podle vynálezu je, že je tvořeno magnetem, pod nímž je umístěna výkyvná poiložka, na jejímž jednom konci je pod magnetem umístěn indikační prvek ze supravodivého materiálu. Tímto prvkem prochází nebo je na něm pevně uloženo jedno světlovodné vlákno. Jeden konec vlákna, proti kterému je opticky souose umístěn světelný zdroj se soustředujícím optickým členem, je upevněn v jednom*držáku. Druhý konec, proti němuž je opticky souose umístěno druhé světlovodné vlákno, upevněné na druhém držáku, je vedeno mimo indikační prvek. Proti vnějšímu konci druhého světlovodného vlákna je opticky souose umístěn optický nebo elektrický indikátor.The principle of the very low temperature indicator device according to the invention is that it consists of a magnet under which a pivotable item is placed, at one end of which a indicator element of superconducting material is placed under the magnet. One light-guiding fiber passes or is firmly supported by this element. One end of the filament, against which a light source with a concentrating optical member is positioned coaxially, is fixed in one holder. The other end, against which the second light guide fiber mounted on the second holder is optically coaxially positioned, extends away from the indicating element. An optical or electrical indicator is positioned optically coaxially opposite the outer end of the second light guide fiber.

Magnet indikátoru může být upevněn na pevné chlazené podložce. Lze jej též umístit na jeden konec vahadla, které je otočné kolem čepu podpěry a na druhém konci má ručku pro indikaci síly, vyvozené na.výkyvnou podložku na stupnici. Na tento druhý konec dosedá ze strany, K3? je umístěn magnet a podpěra, nastavovací šroub, otočný v pevné matici.The indicator magnet can be mounted on a solid chilled support. It can also be placed on one end of the rocker, which is rotatable around the pivot of the support and has the other hand on the other end to indicate the force exerted on the rocker on the scale. On the other end of the side, K3? there is a magnet and a support, an adjusting screw rotatable in a fixed nut.

Výkyvná podložka indikačního zařízení může být tvořena například pákou, která je podepřena podporou, a to kdekoli mimo střed této páky tak, aby se před dosažením indikované teploty dotýkal supravodivý materiál, upevněný na jednom rameni páky, magnetu, tepelně spojeného s měřeným objektem. Na druhém konci páky je umístěno vyvažovači závaží, jehož hmotnost je o 10 až 20 % vyšší než hmotnost indikačního prvku.For example, the pivot pad of the indicating device may be a lever that is supported by a support anywhere outside the center of the lever so that, before reaching the indicated temperature, the superconducting material mounted on one arm of the lever is magnetically coupled to the object. At the other end of the lever there is a balancing weight whose weight is 10 to 20% higher than the weight of the indicator element.

Výkyvná podložka může být též vytvořena pružnou planžetou, která je jedním koncem upevněna v držáku. Druhým, volným koncem, na němž je indikační prvek ze supravodivého materiálu, zapadá do zarážky vymezující mezní polohy tohoto konce.The pivoting washer can also be formed by a flexible foil, which is fixed at one end in the holder. The other, free end, on which the indicator element is made of superconducting material, fits into a stop defining the limit positions of this end.

. Výhodou zařízení podle vynálezu je, že přesnost měření není ovlivněna rozdílem teplot tepelného indikátoru a měřeného objektu a údaj o teplotě je jednoznačný. Výhodou zařízení pro indikaci velmi nízkých teplot podle vynálezu je, že není s chlazeným objektem vodivě spojeno a proto nedochází k přívodu tepla na měřený objekt ani na jeho okolí a tím se nezhoršuje účinnost chlazení.. An advantage of the device according to the invention is that the accuracy of the measurement is not influenced by the temperature difference between the thermal indicator and the measured object and the temperature indication is unambiguous. The advantage of the very low temperature indicating device according to the invention is that it is not conductively connected to the object to be cooled and therefore there is no heat supply to the object to be measured or to its surroundings, and thus the cooling efficiency is not impaired.

Indikace velmi nízkých teplot podle vynálezu využívá skutečnosti, že supravodivé materiály při dosažení určité teploty se stávají diamagnetickými a jejich permeabilita je nulová. Mechanická síla, vznikající při dosažení této kritické teploty se užívá k změně uspořádání zařízení, čímž se indikuje dosažená teplota.The very low temperature indication of the present invention takes advantage of the fact that superconducting materials become diamagnetic at a certain temperature and their permeability is zero. The mechanical force generated when this critical temperature is reached is used to change the arrangement of the device, indicating the temperature reached.

K indikaci slouží zařízení podle vynálezu, jehož příklady jsou schematicky uvedeny na přiložených výkresech, kde na obr. 1 je v náryse schéma zařízení s pevně uchyceným magnetem, kde výkyvná podložka je tvořena pákou, na obr. 2 je stav tohoto zařízení při dosažení indikované teploty. Na obr. 3 je příklad uspořádání této varianty abdikačního zařízení při potřebě indikovat postupně několik nízkých teplot. Bokorys v částečném řezu je na obr. 4. Na obr. 5 je jiná varianta zařízení, kde magnet je upevněn na vhadle a výkyvná podložka je tvořena pružnou planžetou.The device according to the invention serves as an indication, examples of which are schematically shown in the attached drawings, where Fig. 1 is a front view of a device with a fixed magnet, where the swivel washer is a lever; . Fig. 3 shows an example of the arrangement of this variant of the abdication device when the need to indicate several low temperatures gradually. A partial sectional side view is shown in Fig. 4. In Fig. 5, there is another variant of the device, wherein the magnet is mounted on the rocker and the pivoting pad is formed by a flexible foil.

V příkladu na obr. 1 sestává zařízeni magnetu 9, který je spojen s pevnou chlazenou podložkou 10 a z výkyvné podložky 2, tvořené pákou, výkyvnou na podpoře 14. Na jednom rameni páky, pod magnetem 9 je upevněn indikační prvek £ ze supravodicého materiálu. Na druhém rameni páky je umístěno vyvažovači závaží £, jehož hmotnost je o 10 až 20 % vyšší než hmotnost indikačního prvku £. Indikačním prvkem £ prochází nebo je s ním pevně spojeno první světlovodné vlákno i, které je na jedné straně upnuto v prvním držáku 5 a na druhé straně je vyvedeno mimo indikační prvek £. Tento vyvedený konec je opticky souosý s druhým světlovodným vláknem 6, upevněným ve druhém držáku £. Proti vnějšímu konci druhého světlovodného vlákna 3 je umístěn optický indikátor 8. Světlo se do prvního světlovodného vlákna £ přivádí přes optický soustřeďující člen 11 ze světelného zdroje 12. připojeného k napájecímu zdroji 13.In the example of FIG. 1, the device 9 comprises a magnet 9 which is connected to a fixed cooled pad 10 and a pivot pad 2 formed by a lever pivotable on a support 14. On one lever arm, below the magnet 9, an indicator element 6 of superconducting material is mounted. On the second arm of the lever there is a balancing weight,, whose weight is 10 to 20% higher than the weight of the display element £. The first light guide filament 1, which is clamped on the one hand in the first holder 5 and, on the other hand, extends outside the indicating element 6, passes or is fixedly connected to the display element. This lead-out end is optically coaxial with the second light guide fiber 6 mounted in the second holder 6. An optical indicator 8 is located opposite the outer end of the second fiber optic fiber 3. Light is fed to the first fiber optic fiber 8 via an optical focusing member 11 from a light source 12 connected to the power supply 13.

činnost tohoto zařízení lze demonstrovat pomocí obr. 2, kde je výše popsané indikační zřízeni při dosaženi supravodivého stavu indikačního prvku £, který je v tepelném kontaktu s měřeným objektem, např. s pevnou podložkou 10 pomocí tepelně vodivého magnetu £ tak, aby sledoval změny teploty objektu.The operation of this device can be demonstrated by means of Fig. 2, where the above-described indicating device is attaining the superconducting state of the indicator element 6 which is in thermal contact with the measured object, e.g. a solid support 10 by a thermally conductive magnet 6 to monitor temperature changes. object.

Pří dosažení kritické hodnoty teploty dochází u indikačního prvku 1 k supravodivosti, změní se jeho magnetické vlastnosti a magnetická permeabilita dosáhne nulové hodnoty. Tím se pak poruší rovnováha na páce tak, že magnetické pole magnetu 9 se nemůže uzavřít přes indikační prvek £, který je nyní dokonale diamagnetický. Proto magnetické silokřivky magnetu 9 odtlačí supravodivý indikační prvek £ do vzdálenosti £5. První světlovodné vlákno £ vybočí z původní opticky .zcentrované polohy s druhým světlovodným vláknem 6 a tím přeruší optickou vazbu mezi zdrojem světla 12 a optickým nebo elektrickým indikátorem £. Změna indikace světla v indikátoru ,8 je pak informací o dosažení kritické teploty indikačního prvku £.When the critical temperature value is reached, the indicator element 1 is superconducting, its magnetic properties change and the magnetic permeability reaches zero. This then disturbs the equilibrium on the lever so that the magnetic field of the magnet 9 cannot be closed over the indicating element 6, which is now perfectly diamagnetic. Therefore, the magnetic field lines of the magnet 9 push the superconducting indicating element 8 to a distance 55. The first light guide filament 6 deviates from the original optically centered position with the second light guide filament 6 and thereby breaks the optical bond between the light source 12 and the optical or electrical indicator 6. The change in the light indication in the indicator 8 is then information about reaching the critical temperature of the indicator element 6.

Při potřebě indikovat postupně několik nízkých teplot lze užít uspořádání podle obr. 3, resp. obr. 3, kde je uspořádáno několik, v tomto případě pět, indikačních zařízení podle obr.1, opatřených indikačními prvky £ s různou přechodovou teplotou do supravodivého stavu. Při poklesu teploty se pak na indikátorech 3, jejichž počet odpovídá počtu indikačních prvků, objeví indikace příslušné teploty, při které bylo dosaženo supravodivého stavu u odpovídajících supravodivých indikačních prvků £.If it is necessary to indicate several low temperatures gradually, the arrangement according to FIG. 3, in which a plurality of, in this case five, display devices according to FIG. 1 are provided, provided with display elements 8 having a different transition temperature to the superconducting state. When the temperature drops, the corresponding temperature at which the superconducting state has been reached for the corresponding superconducting indicating elements 6 appears on the indicators 3 corresponding to the number of indicating elements.

Vyhodnocení teploty supravodivého stavu je zajištěno shodně jako u příkladu na obr. 1 resp. 2. Zdroj světla 12 je opticky vázán soustřeďujícím členem 11 přes světlovodná vlákna 4, která jsou opticky zoentrována se světlovodnými vlákny 6. Optická vazba světlovodných vláken £ je pevně spojena s indikačními prvky £ tak, že v klidovém, tj. nesupravodivém stavu, jsou vahadla 2, podepřená v podporách ££, vyvážena závažími £ a opírají se o magnety 9. Jako výkyvnou podložku 2 lze použít např. též pružnou planžetu, jak je uvedeno na obr. 5. Indikační prvek £ je spojen pevně s pružnou planžetou v jedné poloze udržovanou zarážkou 50 tak, aby bylo možno přiblížit magnet 9 proti odporu indikačního prvku £ ve stavu supravodivosti. Tato pružná planžeta je druhým koncem, na němž není umístěn indikační prvek £, upevněna v držáku 51, který je v tepelném kontaktu s měřeným objektem. Světlovodné vlákno £ opět prochází indikačním prvkem £ a proti němu je opticky souose umístěno druhé světlovodné vlákno £. Magnet 9The evaluation of the superconducting state temperature is ensured in the same way as in the example in FIG. 2. The light source 12 is optically coupled by the collecting member 11 through the light guide fibers 4, which are optically centered with the light guide fibers 6. The optical coupling of the light guide fibers 6 is firmly connected to the indicating elements 6 such that the rocker arms are in the rest, i.e. 2, supported in supports £, balanced by weights a and supported by magnets 9. As a swivel washer 2, for example, a flexible foil can also be used, as shown in Fig. 5. The indicator element 6 is fixedly connected to the flexible foil in one position. a retaining stop 50 so as to be able to approach the magnet 9 against the resistance of the indicator element 6 in a superconducting state. This flexible foil is fastened in the holder 51, which is in thermal contact with the object to be measured, at the other end, on which the indicator element 6 is not located. The light guide filament 6 again passes through the indicating element 6 and opposite it is optically coaxially positioned a second light guide filament 6. Magnet 9

244720 4 je v tomto případě umístěn na jednom ramenu vahadla 52, které je otočné kolem čepu 53 podpěry 54. Na druhé straně vahadla 52 se nastavuje plynule mezera mezi magnetem 9_ a indikačním prvkem 1. pomocí šroubu 55 otočném v pevné matici 56. Na vahadle 52 na konci odlehlém od konce s magnetem 9, je připevněna ručka 57, ukazující na stupnici 58 velikost síly mezi magnetem 9 a indikačním prvkem JL nebo odvozenou velikost magnetického pole v mezeře.244720 4 is in this case located on one arm of the rocker 52, which is rotatable about the pin 53 of the support 54. On the other side of the rocker 52 the gap between the magnet 9 and the indicator element 1 is continuously adjusted by a screw 55 rotatable in the fixed nut 56. 52 at the end remote from the end with the magnet 9, a handle 57 is mounted, showing on the scale 58 the magnitude of the force between the magnet 9 and the indicating element 11 or the derived magnitude of the magnetic field in the gap.

Světlovodné vlákno 4^ se pohybuje shodně s indikačním prvkem 1^, schopným přechodu do supravodivého stavu. Před dosažením tohoto stavu je v optické vazbě s druhým světlovodným vláknem 6, vedoucím k indikátoru, který zde není nakreslen. Toto uspořádání indikačního zařízení umožňuje změnu magnetické indukce mezi indikačním prvkem 1. a magnetem 9. Protože supravodivý stav indikačního prvku i je mimo kritické teploty závislý i na velikosti působícího magnetického pole, lze pak stanovit při přechodu do supravodivého stavu u určitého materiálu indikačního prvku 2 i teplotně kalibrovaný interval teplot podle velikosti působícího magnetického pole.The light guide filament 4 moves in concert with the indicating element 1 capable of transitioning to the superconducting state. Prior to reaching this condition, it is in optical bond with the second fiber optic fiber 6, leading to an indicator not shown herein. This arrangement of the indicating device allows a change in the magnetic induction between the indicating element 1 and the magnet 9. Since the superconducting state of the indicating element i is dependent on the magnitude of the applied magnetic field outside the critical temperatures, it can then be determined temperature calibrated temperature range according to magnitude of the applied magnetic field.

Obdobně lze použít uspořádání, kde ke změně magnetické indukce dochází změnou proudu v cívce, v jejímž středu je magnetické jádro, pod nimž se nachází supravodivý indikační prvek se světlovodným vláknem. Jde tedy o použití elektromagnetu.Similarly, an arrangement may be used where the change in magnetic induction occurs by varying the current in the coil, in the center of which is the magnetic core, beneath which the light guide fiber superconducting indicating element is located. So it's about using an electromagnet.

Volbou indikačních prvků a různou supravodivostí lze indikovat různé přechodové teploty. Příklady těchto prvků a odpovídající indikované'teploty jsou uvedeny v následující tabulce.Different transition temperatures can be indicated by selecting the display elements and different superconductivity. Examples of these elements and the corresponding indicated temperatures are given in the following table.

Indikační prvek_Indikovaná teplota (°K) hliník 1,2 cín 3,37 rtut 4,15 vanad 5,1 olovo 7,22 niob 8,0 slitina niob-titan v poměru 1:1 9,5 slitina niob-zirkonium v poměru 1:1 10,8 slitina niob-cín v poměru 1:1 18,1 slitina niob-germanium v poměru 3:1 20,0 slitina niob-hliník-germanium v poměru 1:1:1 20,98Indication elementIndicated temperature (° K) aluminum 1.2 tin 3.37 mercury 4.15 vanadium 5.1 lead 7.22 niobium 8.0 niobium-titanium alloy 1: 1 9.5 niobium-zirconium alloy 1 : 1 10.8 1: 1 niobium-tin alloy 18.1 3: 1 niobium-germanium alloy 20.0 1: 1: 1 niobium-aluminumium germanium alloy 20,98

Kromě uvedených řešení vyhodnoceni přechodu indikačního prvku do supravodivého stavu lze řešit opticky indikaci přechodové teploty systémem zrcadel, spojených se supravodičem a světelným svazkem, který je po pohybu supravodiče indikací dosažené teploty.In addition to the above solutions for evaluating the transition of the indicating element to the superconducting state, it is possible to solve optically the transition temperature indication by a system of mirrors connected to the superconductor and the light beam, which is an indication of the temperature reached after the superconductor.

Claims

A very low temperature indicator device, characterized in that it comprises a magnet (9) under which a pivotable washer (2) is located, on one arm of which an indicator element (1) of superconducting material passing through is placed under the magnet (9). or a first light guide fiber (4) is fixed thereon, one end of which the light source (12) with the concentrating optical member (11) is optically coaxially positioned is fixed in one holder (5) and the other end against the second light guide fiber (6) mounted in the second holder (7) is positioned coaxially out of the indicator element (1) and an optical indicator (8) is positioned coaxially opposite the outer end of the second light guide fiber (6).

2. A display device according to claim 1, characterized in that the magnet (9) is mounted on a solid cooled support (10).

3. An indicator device according to claim 1, characterized in that the magnet (9) is located at one end of the rocker arm (52), pivotable about a pin (53) of the support (54) and at the other end of the rocker arm (52). a scale (58) for reading the amount of force exerted on the pivot washer (2), the adjusting screw (55) is rotatable in the fixed nut (56), the magnet (9 (, the support (54) and the adjusting screw (55) being of the rocker arm (52).

4. The display device according to claim 1, characterized in that the swivel pad (2) is formed by a lever supported off center by a support (14), wherein at one end thereof an indicator element (1) of superconducting material is located and a counterweight (3) whose weight is 10 to 20% greater than the weight of the display element (1).

Display device according to Claims 1 and 3, characterized in that the swivel washer (2) is formed by a flexible foil, fixed by one end in the holder (51) and engaged by the free end, on which the display element (1) is supported under the magnet (9). into a stop (50) for defining the limit position of the free end of the flexible blade (51).