DE2554515A1 - Widerstandslegierung fuer tiefe temperaturen mit einstellbarem temperaturkoeffizienten - Google Patents

Description

• Widerstandslegierung für tiefe Tem>eraturen
• mit einstellbarem Temperaturkoeffizienten Die zunelunende Bedeutung der elektrischen Präzisionsmeßtechnik bei tiefen Temperaturen erfordert Widerstandsmaterialien mit 1 d# extrem kleinem Temperaturkoeffizienten TK = (# spezifi-# dT scher elektrischer Widerstand) und Leistungskoeffizienten. Besonders hohe Ansprüche werden in dieser Hinsicht an die Widerstandsmaterialien einer Präzisions-Gleichspannungsquelle auf der Grundlage des Josephson-Effektes gestellt. Obgleich viele Widerstandswerkstoffe bei tiefen Temperaturen untersucht worden sind, ist es bisher nicht gelungen, den TK von 10-6 /K in dem interessierenden Temperaturbereich des flüssigen Heliums (-4,2 K) zu unterschreiten.
• Die bisherigen erfolgversprechenden Materialien mit kleinstem TK bestehen in Legierungen auf Kupferbasis [1,2], die bei einer Temperatur von 2 K (superfluides Elelium) bzw. 4,2 K einen Wert von etwa - 10-6/K erreichten. Der wesentliche Nachteil dieser Legierungen besteht in der Begrenzung des TK durch die im Ausgangsmaterial bisher nicht zu beseitigenden magnetischen Verunreinigungen wie Eisen, Chrom, Mangan etc. (Kondoeffekt). Die in Ref. F27 untersuchte (Cu-Ge)-Legierung mit reinstem kommerziel erhältlichen Ausgangsmaterial ergab den Analysenwert von ca.
• 1 ppm Massengehalt an magnetischen Verunreinigungen. Die Herstellungsbedingungen müssen äußerst sorgfältig eingehalten werden, da bereits geringste zusätzliche magnetische Verunreinigungen im ppm-Bereich, die während des Schmelzens der Legierung ins Schmelzgut oder während des Drahtziehens ins Material gelangen können, den Betrag des TK drastisch zu vergrößern vermögen.
• Es entstehen erhebliche Materialkosten für das Fertigprodukt, da nur reinste Ausgangsmaterialien benutzt werden können. Der derzeitige Preis für 1 kg reinstes Kupfer beträgt ca. 3.500,-- DM Im Gegensatz zu den oben erwähnten Legierungen weisen die auf Aluminiumbasis hergestellten erhebliche Vorteile auf. Zur Erhöhung des spezifischen Widerstandes eignen sich unmagnetische Zusätze wie Mg, Cu etc. oder Kombinationen davon. Der im Tieftemperaturbereich von 1,4 K bis ca. 5 K gemessene TK stellt sich als positiv heraus, was an dem Beispiel einer Aluminiumlegierung mit einem Massengehalt von 5 % an Magnesium demonstriert sei: Spezifischer Widerstand # = 3,6 µ# cm und TK# + 10-5/K. Durch definierte magnetische Zusätze wird der Temperaturkoeffizient mit zunehmender Konzentration c verringert, so daß bei einem bestimmten Massengehalt cO ein TK 0 0 erreicht wird, der bei weiterc Erhöhung der Konzentration c 7 cO negative Werte annimmt. Diese Verhältnisse werden an hand des Ausführungsbeispiels quantitativ erläutert. Bild 1 gibt die Änderung des TK einer (AlMg5)-Legierung mit unterschiedlichem Massengehalt an Mangan (0-0,4 %) bei einer Temperatur von 4,2 K wieder, wobei der qualitativ gleiche Verlauf auch für Temperaturen unterhalb von 4,2 K erhalten wird.
• Bei geeigneter Wahl des Massengehaltes an Mangan von c0 0,07 % wurde zwischen 1,4 K und 5 K ein extrem kleiner TK < 10-7/K eingestellt.
• Die Beeinflussung des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes ist auch durch Temperung der Legierung nach Fertigstellung des Drahtes bei ca. 350 OC möglich, wobei die den TK beeinflussende wirksame bzw. effektive Mangankonzentration ceff verringert und damit nach Bild 1 der TR vergrößert wird. Insbesondere kann bei Mangankonzentrationen c>c0 mittels geeigneter Temperung Ceff = c0 eingestellt werden, so daß auch mit dieser Maßnahme der Sonderfall cines verschwindenden Temperaturkoeffizienten erreicht wird.
• Die hier angegebene Einstellbarkeit des gewünschten TK gilt für alle Aluminiumlegierungen. Der Grund hierfür ist der in Al-Legierungen wesentlich schwächer als in Kupferlegierungen in Erscheinung tretende Kondoeffekt.
• Die I(osten für die Ausgangsmaterialien der Al-Legierungen liege erheblich unter denen der Cu-Legierungen, da viel geringere Forderungen an die Reinheit gestellt werden. Außerdem ist der Herstellungsprozeß billiger, da kein besonderen Bedingungen an die Fertigung geknüpft sind.
• Am folgenden Anwendungsbeispiel soll demonstriert werden, welche Vorteile die Verwendung eines Widerstandsmaterials mit verschwindendem Temperaturkoeffizienten z.B. für die Schaffung transportabler Präzisions-Gleichspannungsquellen auf der Grundlage des Josephsen-Effektes hat. Derartige Präzisions-Referenzquellen sind allen bekannten wie Zenerdiode und Weston-Normalelement an Stabilität und erzielbarer Reproduzierbarkeit um Größenordnungen überlegen. Im Bereich der Industrie und Forschun besteht ein großer Bedarf an solchen Referenz quellen, die eine #U Gleichspannung U der Größernordnung 1 Volt auf # 10-8 abzu-U geben vermag.
• Mit Hilfe einer Mikrowelle der Frequenz fM, die in ein Josephson Element (siehe J in Bild 2) eingespeist sei, werden Stufen konstanter Gleichspannung in der Gleichstrom-Gleichspannungs Kennlinie des Josephson-Elementes erzeugt. Die Stromeinstellung au£ eine ganzzahlige n-te Stufe der Gleichspannung Ün geschieht mit Hilfe der Stromquelle Q1. Zwischen Un und fM besteht die bekannte Beziehung: (1) Un = 2 e n wobei h das Plancksche Wirkungsquan-tum und e die Elementarladung bedeuten. Die Gleichspannungsicherheit d Un hängt damit nur von der Frequenzunschierheit # fM ab, da die übrigen Größen in Gl. (1) Konstante sind.
• Beispiel: fM = 70 GHz; n = 20 ergibt Un # 3 mV #fM = 7 Hz #Un # 3.10-13 V.
• Bild 2 verdeutlicht, wie die Anpassung der Josephsonspannung im im Milivoltbereich an die technisch gewünschte Referenzspannung U = TUn (T = R1/R Verhältnis der Widerstände R1, R2) 2 geschieht. Durch automatische Regelung wird der von der Batterie B herrührende Teilerstrom so nachgestellt, daß die über R2 befindliche Gleichspannung durch das empfindliche Pikovoltmeter P gleich der Josephsonspannung Un wird.
• Dem Widerstandsteiler kommt in dieser Schaltung eine besondere Bedeutung zu, denn jede Änderung vun T ergibt eine entsprechendc Variation von 4. Eine Miniaturisierung solcher Apparaturen war früher nicht möglich, da aufgrund des zu großen TK aufwendige Tcmperaturstabilisierungen notwendig waren. Um jegliche Temperaturgradienten im Heliumbad auszuschließen, arbeitete man im superfluiden Helium bei ca. 2 K, was vakuumdichte Apparaturen sowie eine Vakuumpumpc erforderlich machte. Ferner begrenzte der Leistungskoeffizient der Widerstände die Meßgenauigkeit.
• Demgegenüber konnte die gesamte Präzisions-Gleichspannungsquelle durch die erfindungsgemäße Anordnung in ihren geometrischen Abmessungen durch Wegfall von Temperaturregeleinrichtungen und Vakuumpumpe erheblich reduziert werden. Messungen zeigten, daß in einem ungeregelten 4,2-K-Heliumbad Temperaturgradienten im Bad und Temperaturschwankungen durch atmosphärische Luftdruckanderungen (+ 1 k Pa - 10 K) keinerlei Auswirkungen auf das Teilerverhältnis T hatten. Innerhalb von 8 Stunden lagen bei kontinuierlicher Messung die rela-tiven Änderungen von T unterhalb der Auflösungsgrenze des Meßgerätes von 2 . 10-9. Die hohe erzielte Stabilität des Widerstandsverhältnisses läßt sich darauf zurückführen, daß alle Diffusionsvorgänge bei tiefen Temperaturen extrem langsam ablaufen.
• [1] Sullivan, D.B.: Resistance of a Silicon Bronze at Low Temperatures.
• Rev. Sci. Instrum. 42 (1971), 5. 612-613.
• [2] Warnecke, P.; Kose, V. : Resistance alloy for low temperatures. Rev. Sci. Instrum. 46 (1975), 5. 1108-1109.
• L e e r s e i t e

Claims (1)

1. Pabentansprücllc Anspruch 1 Anordnung bestehend aus Aluminium oder Aluminiumlegierung mit nichtmagnetischen Komponenten ist dadurch gekennzeichnet, daß durch definierte magnetische Zusätze der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes dieser Legierung im Tieftemperaturbereich stetig zwischen einem positiven und negativen Wert und/oder eine Temperung bei erhöhter Temperatur, die den Temperaturkoeffizienten einseitig nach positiven Werten erhöht, einstellbar ist.

   Anspruch 2 Anordnung nach Anspruch 1 bestehend aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch definierte magnetische Zusätze der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes dieser Legierung im Tieftemperaturbereich stetig zwischen einem positiven und negativen Wert und/oder eine Temperung bei erhöhter Temperatur, die den Tempcraturkoeffizienten einseitig nach positiven Werten erhöht, einstellbar ist.

   Anspruch 3 Anordnung nach Anspruch 1 und 2 bestehend aus einer Aluminium-WIagncsium-Lcgierung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch definierten Zusatz von Mangan der Temperaturkoeffizient des elek- -trischen Vliderstandes dieser Legierung im Ticftemperaturb ereich im Intervall 1,4 K bis S K stetig zwischen einem positiven und negativen Wert und/oder eine Temperung bei erhöhter Temperatur, die den Temperaturkoeffizienten einseitig nach positiven Werten erhöht, einstellbar ist.

   Anspruch 4 Anordnung nach Anspruch 1,2 und 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung als Widerstandsmaterial in Form von Runddrähten oder Flachdrahten, Profildrähten, Folien, Dünn- und Dickfilmschichten oder in Form von anderen Geometrien vorliegt.