MISURE ESTENSIMETRICHE ALLE TEMPERATURE CRIOGENICHE INFERIORI A Tλ

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1 Convegno Nazionale LA MISURA GRANDEZZE FISICHE Faenza 8-9 Maggio 1997 MISURE ESTENSIMETRICHE ALLE TEMPERATURE CRIOGENICHE INFERIORI A Tλ C. Ferrero, C. Marinari

2 Introduzione La realizzazione di grandi strutture che utilizzano sistemi superconduttivi, (magneti di alto campo, rotori superconduttivi, apparati per la fusione termonucleare) Lo sviluppo di tecnologie per le alte energie e di apparati per applicazioni criogeniche e superconduttive hanno evidenziato la necessità di caratterizzare metrologicamente gli estensimetri elettrici a resistenza (ER) utilizzati in condizioni criogeniche per un costante miglioramento dell accuratezza e dell affidabilità delle misure.

3 Dagli anni 70 si è assistito ad un considerevole impegno nella ricerca di nuove leghe estensimetriche per applicazioni criogeniche, allo scopo di ridurre: il valore della deformazione apparente (TO) la variazione del fattore di taratura (K) al variare della temperatura. L attenzione fu rivolta alle leghe Karma che presentano: basso valore di TO nell intervallo da 293 K a 4,2 K, fenomeno di inversione della caratteristica Resistenza/Temperatura alla temperatura prossima dell idrogeno liquido.

4 Leghe per Estensimetri Elettrici a Resistenza Indagine sul comportamento a temperature criogeniche

5 Leghe per Estensimetri Elettrici a Resistenza Variazione del Fattore di Taratura (K) a temperature criogeniche

6 Nuove tecnologie criogeniche Le temperature per cui viene richiesta la caratterizzazione dei materiali sono oggi molto più basse che in passato, estendendosi ben al disotto dei 4,2 K, per raggiungere temperature nel dominio dell elio superfluido: T<T λ <2,17 K E richiesta una notevole riduzione del rapporto segnalerumore per sensori ad elevata sensibilità impiegati sui satelliti per osservazioni astronomiche (programmi IRAS, ISO) ed astrofisiche (Programma ASTRO) o caratterizzazione strutturale dei materiali utilizzati, per esempio, nello sviluppo del nuovo acceleratore LHC (Large Hadron Collider) presso il CERN

7 Effetto Kondo Nel 1964 J. Kondo elabora un modello teorico per spiegare il particolare comportamento di questi materiali: l esistenza di un minimo di resistenza collegato alla presenza di impurità magnetiche all interno del materiale stesso. Deformazione apparente [ppm] Temperatura [K]

8 Il contributo spin-dipendente alla resistività è proporzionale alla concentrazione delle impurità magnetiche (c ). Pertanto la resistività totale (ρ) risulterà essere: ρ = AT 5 + cρ 0 - Bc ln(t) [ppm] Thermal output dove Temperature [K] AT 5 : contributo fononico, cρ 0 : contributo delle impurità Bc (lnt): contributo spin-dipendente; M. M. con un minimo a T= (Bc/5A) 1/5 c 1/5. Al Cu Aisi

9 Campo di temperatura: 4,2 K 7,2 K la curva di TO appare lineare se riportata in scala semi logaritmica, la curva di valori sperimentali può essere pertanto interpolata con un equazione del tipo: y = b 0 + b 1 ln (T) [ppm] Deformazione apparente Temperatura [K]

10 Campo di temperatura: 4,2 K 30 K la curva può essere efficacemente interpolata da un polinomio del tipo: [ppm] Deformazione apparente Temperatura [K] y = a 0 + a 1 T + a 2 T 2 + a 3 T 3 + a 4 T 4

11 He SUPERFLUIDO Estensimetri e materiali Due famiglie di Estensimetri Elettrici a Resistenza ER che presentano a 4,2 K il fenomeno di inversione della curva di T.O. (tipo A ) ER che non presentano a 4,2 K il fenomeno di inversione della curva di T.O. (tipo B ) Tre differenti materiali Al 2024-T4 Aisi 316LN Cu OFHC

12 Apparato sperimentale Laboratorio di Analisi delle Sollecitazioni in condizioni estreme: Temperature criogeniche Elevati campi magnetici (>10 T) MACCHINA PROVA MATERIALI CRIOSTATO A FLUSSO ED IMPIANTO DI TRASFERIMENTO lhe ESTENSIMETRI PER TEMPERATURE CRIOGENICHE MAGNETE SUPERCONDUTTORE

13 Criostato a flusso Campo di temperatura nominale: 300 K - 4,2 K Regolazione continua della temperatura di prova Controllo temperatura: sensori Fe-Rd ubicati all estremità del provino Volume di prova: diametro 160 mm, altezza 240 mm Stabilità della temperatura nel volume di prova :0,1 K Assemblaggio di tre moduli: modulo di trazione dewar di prova dewar esterno con camera di vuoto

14 Risultati sperimentali Intervallo di temperatura : 300 K - 4,2 K ER del tipo B [ppm] Deformazione apparente Al AISI 316LN Temperatura [K ]

15 Intervallo di temperatura : 300 K K [ppm] Deformazione apparente ER di tipo A e B ER tipo "A" ER tipo "B" Temperatura [K]

16 Intervallo di temperatura : 30 K K Deformazione apparente 1000 [ppm] ER tipo "A" Temperatura [K] Deformazione apparente [ppm] ER tipo "B" Temperatura [K]

17 Intervallo di temperatura : 4 K K Deformazione apparente 500 [ppm] ER tipo "A" Temperatura [K] Deformazione apparente [ppm] ER tipo "B" Temperatura [K]

18 Conclusioni 600 Il valore della temperatura a cui si manifesta l inversione della caratteristica T.O. è stabile e ripetibile in accordo con la teoria di J. Kondo (T c 1/5 ) [ppm] Deformazione apparente Temperatura [K]

19 Conclusioni Nell intervallo tra 4,2 K e 7,2 K la curva di deformazione apparente in funzione di T può essere espressa attraverso una equazione logaritmica del tipo : y = b 0 + b 1 ln (T) Per temperature comprese tra 4,2 K e 30 K è preferibile utilizzare un espressione polinomiale del tipo: y = a 0 + a 1 T + a 2 T 2 + a 3 T 3 + a 4 T 4

20 Conclusioni ELIO SUPERFLUIDO Con gli ER del tipo A la curva di TO da 4,2 K fino a 1,53 K risulta avere un gradiente molto elevato che può raggiungere 600 µm/m per K Deformazione apparente 500 [ppm] ER tipo "A" Tem peratura [K]

21 Conclusioni ELIO SUPERFLUIDO Con ER di tipo B l effetto di inversione della resistenza è stato sperimentalemte verificato per: T < 4,2 K Deformazione apparente [ppm] ER tipo "B" Temperatura [K]

22 ER di tipo A [ppm] Deformazione apparente A D ER tipo "A" B C Temperatura [K]

23 ER di tipo B [ppm] Deformazione apparente A C B Temperatura [K]

24 ELIO SUERFLUIDO

25 Modulo per prove a temperature criogeniche Sistema di applicazione delle deformazioni

26 Modulo per prove a temperature criogeniche provino in AISI 304 LN

27 Modulo per prove a temperature criogeniche vista generale

28 Ripetibilità e riproducibilità del valore di T.O. a 4,2 K

29 Riproducibilità dei valori di T.O. con strumentazione differente

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