Convegno Nazionale LA MISURA GRANDEZZE FISICHE Faenza 8-9 Maggio 1997 MISURE ESTENSIMETRICHE ALLE TEMPERATURE CRIOGENICHE INFERIORI A Tλ C. Ferrero, C. Marinari
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.
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.
Leghe per Estensimetri Elettrici a Resistenza Indagine sul comportamento a temperature criogeniche
Leghe per Estensimetri Elettrici a Resistenza Variazione del Fattore di Taratura (K) a temperature criogeniche
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
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] 3000 2000 1000 0-1000 -2000 0 50 100 150 200 250 300 Temperatura [K]
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 0-1000 -2000-3000 -4000 0 50 100 150 200 250 300 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
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) 10000 1000 [ppm] Deformazione apparente 100 4 5 6 7 8 Temperatura [K]
Campo di temperatura: 4,2 K 30 K la curva può essere efficacemente interpolata da un polinomio del tipo: [ppm] Deformazione apparente 600 400 200 0-200 -400-600 4 14 24 34 Temperatura [K] y = a 0 + a 1 T + a 2 T 2 + a 3 T 3 + a 4 T 4
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
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
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
Risultati sperimentali Intervallo di temperatura : 300 K - 4,2 K ER del tipo B [ppm] Deformazione apparente 0-1000 -2000-3000 -4000-5000 -6000 Al AISI 316LN 0 50 100 150 200 250 300 Temperatura [K ]
Intervallo di temperatura : 300 K - 1.53 K [ppm] Deformazione apparente 1000 0-1000 -2000-3000 -4000 ER di tipo A e B ER tipo "A" ER tipo "B" 0 50 100 150 200 250 Temperatura [K]
Intervallo di temperatura : 30 K - 1.8 K -2750 Deformazione apparente 1000 [ppm] 0-1000 -2000-3000 ER tipo "A" 0 10 20 30 Temperatura [K] Deformazione apparente [ppm] -3000-3250 -3500-3750 ER tipo "B" 0 10 20 30 Temperatura [K]
Intervallo di temperatura : 4 K - 1.53 K Deformazione apparente 500 [ppm] 0-500 -1000-1500 ER tipo "A" 0 1 2 3 4 Temperatura [K] Deformazione apparente [ppm] -3000-3125 -3250-3375 -3500 ER tipo "B" 0 1 2 3 4 Temperatura [K]
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 400 200 0-200 -400-600 0 10 20 30 40 Temperatura [K]
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
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] 0-500 -1000-1500 ER tipo "A" 0 1 2 3 4 Tem peratura [K]
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 -3000 [ppm] -3125-3250 -3375-3500 ER tipo "B" 0 1 2 3 4 Temperatura [K]
ER di tipo A [ppm] Deformazione apparente 500-500 -1500-2500 A D ER tipo "A" B C 0 50 100 150 200 250 Temperatura [K]
ER di tipo B [ppm] Deformazione apparente 0-1000 -2000-3000 -4000 A C B 4 54 104 154 204 Temperatura [K]
ELIO SUERFLUIDO
Modulo per prove a temperature criogeniche Sistema di applicazione delle deformazioni
Modulo per prove a temperature criogeniche provino in AISI 304 LN
Modulo per prove a temperature criogeniche vista generale
Ripetibilità e riproducibilità del valore di T.O. a 4,2 K
Riproducibilità dei valori di T.O. con strumentazione differente