Quanto è freddo? Misurare le temperature criogeniche è tutt'altra cosa

Nella maggior parte dei casi le misurazioni della temperatura avvengono in un intervallo relativamente ridotto, compreso tra il punto di congelamento e di ebollizione dell'acqua (0 °C ~ 100 °C), anche se esistono certamente molte situazioni che non rientrano in queste soglie. Fortunatamente esistono sensori allo stato solido intuitivi ed economici idonei a temperature comprese tra -50 °C e +125 °C, nonché modelli speciali che funzionano in intervalli più estesi. Inoltre le termocoppie, i rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) e persino i termistori sono in grado di gestire intervalli maggiori.

Ad esempio, il termistore PTCSL03T091DT1E di Vishay Components ha un intervallo nominale compreso tra -40 °C (277 K) e +165 °C (438 K), mentre la termocoppia R-10318-69 tipo T di TE Connectivity Measurement Specialties copre un intervallo più ampio che va da -200 °C (73 K) a +350 °C (623 K). Di norma, trovare un sensore per questo tipo di misurazioni non crea difficoltà; i problemi sorgono nella fase di applicazione.

In situazioni a temperature estreme, anche di migliaia di gradi, la scelta dei sensori è più ristretta. In genere le opzioni si limitano a vari tipi di termocoppie o a dispositivi di rilevamento a infrarossi. Visto che la sorgente misurata ha una temperatura elevata, la grande quantità di energia che emette deve essere acquisita dal sensore con il minimo impatto sulla sorgente.

Ma che dire quando si tratta di misurare temperature veramente molto basse, quelle che si trovano nella fascia più bassa della scala Kelvin e rientrano nell'ordine delle poche decine di K o da 1 a 9 K, o persino inferiori a 1 K? La ricerca si occupa persino di temperature di 0,01 K; un articolo recente apparso su IEEE Spectrum, dal titolo "Calcolo quantistico: gli orologi atomici offrono qubit a durata maggiore" (in inglese) ha preso in esame studi condotti a temperature inferiori a 100 nK. (Come sia possibile raggiungere temperature tanto basse è un altro tema davvero affascinante). Ma in che modo possiamo sapere esattamente il valore di temperatura registrato a livelli tanto bassi? Per svariate ragioni, la misurazione accurata e credibile di queste temperature criogeniche è un mondo a parte.

  • In primo luogo, se è vero che le leggi della fisica si applicano anche in questo caso, i materiali subiscono trasformazioni importanti, che ne alterano radicalmente caratteristiche e comportamento. Le prestazioni dei sensori, la linearità e altri attributi critici cambiano in modo drastico quando si parla delle fasce basse della scala Kelvin. Fenomeni quali l'acqua che ghiaccia o che si trasforma in vapore ci sono familiari, ma le alterazioni che avvengono nella fascia bassa della scala Kelvin sono molto più difficili da capire.
  • In secondo luogo, l'approccio alla misurazione è generalmente interconnesso con i metodi che si usano per raggiungere tali temperature. I campi magnetici multi-Tesla, ad esempio, che rappresentano spesso un aspetto importante dei dispositivi di super raffreddamento (come e perché è una questione a parte) hanno un impatto notevole sul dispositivo di rilevamento e sui suoi componenti.
  • In terzo luogo, i progetti che riguardano temperature criogeniche profonde spesso coinvolgono masse molto ridotte, in alcuni casi pochi atomi o molecole. Perciò il problema ha due facce: molecole a bassa energia e poche di numero. È evidente che non è possibile collegare un sensore e, persino se si potesse, il sensore influirebbe in modo molto sensibile sulla sostanza misurata. Per molti aspetti, è un corollario del principio di indeterminazione di Heisenberg della fisica quantistica, secondo cui l'atto stesso del misurare influisce su ciò che viene misurato.

Figura 1: Svariati materiali possono essere usati a valori K incredibilmente bassi; si noti che la scala verticale non è lineare. CLTS è un sensore lineare di temperatura per applicazioni criogeniche, un sensore piatto e flessibile che contiene griglie di rilevamento in manganina e lamina di nichel, RuO2 è l'ossido di rutenio. (Immagine per gentile concessione di: ICE Oxford Ltd.)

In ogni caso, sono gli scienziati e i ricercatori a dover eseguire tali misurazioni. Le possibilità a loro disposizione variano in base alla profondità della temperatura e a ciò che devono misurare (masse solide, molecole in cluster simil-gassosi o singole molecole). Esistono molte ricerche e applicazioni pratiche per temperature nell'ordine degli 0 K. In termini relativi, coloro che si occupano di ossigeno liquido (90 K, -183 °C) e di idrogeno (20 K, -253 °C) per il propellente per missili hanno vita facile, come chi lavora con l'azoto (77 K, -196 °C). Al contrario, la temperatura dell'elio liquido (circa 4 K, -269 °C), è molto più difficile da stabilire, sebbene questo elemento sia utilizzato per raffreddare i magneti delle macchine per la risonanza magnetica entro le loro regioni superconduttrici.

L'aspetto chiave da tenere a mente quando si misurano le temperature è che ciò che noi chiamiamo "temperatura" è in realtà la misura dell'energia di ciò che viene misurato. Come accade per quasi tutte le misurazioni della temperatura, gli utilizzatori devono anzitutto considerare tre parametri: l'intervallo da coprire, l'accuratezza assoluta desiderata e il grado di precisione (risoluzione). In secondo luogo devono valutare l'impatto del loro dispositivo di misurazione a queste temperature.

Stupisce apprendere che alcuni sensori frequentemente utilizzati a temperature più "normali" riescono a raggiungere la regione della scala Kelvin ai valori a una cifra più alti (Figura 1). Tra le opzioni disponibili vi sono gli RTD che impiegano platino o rodio-ferro, resistori in germanio e persino i classici resistori in carbonio. Tuttavia, i campi magnetici di grande intensità di questi sistemi possono causare errori di rilevamento di pochi K. La realtà è che vi è una tale richiesta di rilevamento a valori bassi della scala Kelvin che questi trasduttori sono prodotti a catalogo standard di molti fornitori. Questo è piuttosto sorprendente, a pensarci bene.

Parlando invece di opzioni più complesse, gli strumenti a disposizione includono la diffusione di Brillouin nelle fibre ottiche o altre tecniche ottiche sofisticate. Ma è persino possibile usare un "umile" condensatore in una disposizione a ponte, dove le sue dimensioni fisiche e la forma (quindi la capacitanza), si modificano secondo un rapporto noto, come una funzione accuratamente modellata della temperatura.

Queste tecniche, tuttavia, non funzionano per la misurazione della temperatura di un piccolo numero di molecole. In queste circostanze servono approcci che potremmo definire "esoterici". In uno di questi approcci, un campo magnetico intenso viene fatto oscillare con un gradiente di precisione attorno al target intrappolato e quindi si osserva la distribuzione delle sue molecole lungo tale campo, indicativa della loro energia e quindi della temperatura. Un altro sistema utilizza i laser per spingere le molecole; la quantità di energia laser rapportata al movimento risultante indica l'energia del target. Questi metodi e altri altrettanto complessi non presentano solo difficoltà di allestimento, ma necessitano di numerose correzioni e compensazioni dovute ai dettagli di secondo e terzo ordine della loro natura fisica, nonché alle imperfezioni del sistema.

Perciò, la prossima volta che vorrete lamentarvi delle difficoltà di misurazione delle temperature in un'applicazione, pensate a chi ha a che fare con valori della scala Kelvin pari a o persino sotto 1 K. A quelle profondità, è un mondo inquietante e i ricercatori devono anche rispondere all'eterna domanda sulla strumentazione da utilizzare: "Come posso calibrare, confermare e convalidare le mie letture?" È quasi una situazione da incubo!

Informazioni su questo autore

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Bill Schweber è un ingegnere elettronico autore di tre libri di testo sui sistemi di comunicazione elettronica, oltre a centinaia di articoli tecnici, colonne di giornale e caratteristiche del prodotto. In passato ha lavorato come responsabile tecnico di siti Web tematici per EE Times, oltre che come Executive Editor e Analog Editor presso EDN.

In Analog Devices, Inc. (fornitore leader di circuiti analogici e di segnali misti), Bill si occupava di comunicazioni di marketing (pubbliche relazioni); di conseguenza, ha esperienza su entrambi i lati della funzione tecnica PR, come presentatore di prodotti, storie e messaggi aziendali ai media e come parte ricevente.

Prima del ruolo MarCom in Analog, Bill è stato redattore associato della loro rispettata rivista tecnica e ha lavorato anche nei gruppi di product marketing e di ingegneria delle applicazioni. Ancor prima di questi ruoli, Bill lavorava presso Instron Corp., occupandosi di progettazione di circuiti analogici e di potenza e integrazione di sistemi per i controlli delle macchine di prova dei materiali.

Bill ha un MSEE (Univ. of Mass) e un BSEE (Columbia University), è un ingegnere professionista registrato e detiene una licenza da radioamatore di classe avanzata. Bill ha anche pianificato, scritto e presentato corsi online su una varietà di argomenti di ingegneria, compresi i concetti di base su MOSFET, sulla selezione di ADC e sul pilotaggio di LED.

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