¿Qué tan frío está? Medir temperaturas criogénicas es un mundo muy diferente

La mayoría de las mediciones de temperatura de aplicación general ocurren dentro de un rango bastante limitado entre la congelación y la ebullición del agua (de 0 °C a 100 °C), aunque ciertamente hay muchas situaciones que se extienden más allá de estos dos niveles. Afortunadamente, existen sensores de estado sólido de bajo costo y fáciles de usar, que se especifican para temperaturas de −50 °C a +125 °C, así como sensores especiales con un rango más amplio. Además, los termopares, los detectores de temperatura resistivos (RTD) e incluso los termistores pueden manejar rangos mucho más amplios.

Por ejemplo, el termistor PTCSL03T091DT1E de Vishay Components tiene una clasificación de −40 °C (277 K) a +165 °C (438 K), mientras que el termopar Tipo-T R-10318-69 de TE Connectivity Measurement Specialties cubre un rango más amplio, de −200 °C (73 K) a +350 °C (623 K). En general, encontrar un sensor para estas mediciones no es el problema; en realidad, el desafío está en la aplicación del sensor.

Cuando las cosas se calientan mucho y se extienden a miles de grados, las opciones de sensores son más limitadas. Por lo general, se convierte en una elección entre termopares de varios tipos o una distribución de detección infrarroja. Dado que la fuente que se está midiendo está a una temperatura alta, tiene una gran cantidad de energía que debe ser captada por el sensor con un impacto mínimo en la fuente.

Pero ¿qué hay de medir temperaturas muy bajas, aquellas que se encuentran en rangos bajos de dos dígitos (unas pocas decenas de K), de un solo dígito (de 1 a 9 K) o incluso de menos de un solo dígito (<1 K)? Al momento se realizan estudios en niveles tan bajos como 0,01 K y un artículo reciente en IEEE Spectrum , "Quantum Computing:Atomic Clocks Make for Longer-Lasting Qubits" incluye estudios realizados a menos de 100 nK. (¡Cómo bajar tanto la temperatura es otra historia fascinante!). Pero ¿cómo se puede saber la temperatura exacta cuando está tan baja? Las mediciones precisas y creíbles de estas temperaturas criogénicas son un mundo muy extraño por varias razones:

  • Primero, si bien las leyes de la física obviamente siguen vigentes, los materiales experimentan transiciones importantes y sus características y comportamientos cambian radicalmente. El desempeño, la linealidad y otros atributos críticos del sensor cambian dramáticamente en los rangos de K más bajos. Si bien nos sentimos cómodos con el hecho de que el agua se convierte en hielo o en vapor, los cambios en los rangos de K más bajos son mucho más difíciles de captar.
  • En segundo lugar, el enfoque de medición suele estar entrelazado con los métodos que se utilizan para alcanzar esas temperaturas. Por ejemplo, los campos magnéticos multi-Tesla son a menudo una parte importante de una distribución de sobrefusión (cómo y por qué es otra historia), y esos campos tienen un gran impacto en la distribución de detección y sus componentes.
  • En tercer lugar, los proyectos a temperaturas criogénicas profundas suelen involucrar cantidades extremadamente pequeñas de masa; en algunos casos, pueden reducirse a unos pocos átomos o moléculas. Entonces, tiene un doble problema: que las moléculas tienen poca energía y que solo hay una cantidad reducida de ellas. Obviamente, no puede colocar un sensor, e incluso si pudiera, el sensor afectaría seriamente la sustancia que se está midiendo. En muchos sentidos, este es un corolario del Principio de incertidumbre de la física cuántica de Heisenberg, en el cual el acto de hacer una medición afecta lo que se está midiendo.

Figura 1: Pueden utilizarse diversos materiales para valores de K sorprendentemente bajos; tenga en cuenta que la escala vertical no es lineal. CLTS es un sensor de temperatura criogénica lineal, un sensor plano y flexible que consta de rejillas de detección de manganina y lámina de níquel. RuO2 es dióxido de rutenio. (Fuente de la imagen: ICE Oxford Ltd.)

Aun así, los científicos e investigadores necesitan hacer esas mediciones. Tienen una selección de opciones en función de qué tan bajo llegan y qué miden (masa sólida, moléculas en un grupo similar a un gas o moléculas individuales); además, hay mucha investigación y muchas aplicaciones prácticas cerca de 0 K. Relativamente hablando, para los que tratan con oxígeno líquido (90 K, −183 °C) e hidrógeno (20 K, −253 °C) para combustible de cohetes, la cosa es un poco más fácil, al igual que los que trabajan con nitrógeno (77 K, −196 °C). En contraste, el helio líquido es mucho más difícil de evaluar, a aproximadamente 4 K (−269 °C), pero se usa para enfriar los imanes de las máquinas de imagen de resonancia magnética (IRM) hasta sus regiones superconductoras.

La clave para realizar mediciones de temperatura es tener siempre en mente que lo que llamamos "temperatura" es, en realidad, una medición de la energía de lo que se está midiendo. Al igual que con casi todas las mediciones de temperatura, los usuarios primero deben considerar tres especificaciones: qué rango deben cubrir, qué precisión absoluta necesitan y con qué precisión de lectura (resolución). Luego, deben evaluar el impacto que tendrán sus distribuciones de medición a estas temperaturas.

Sorprendentemente, algunos sensores comunes para temperaturas más "normales" pueden funcionar incluso en el rango alto de un solo dígito (Figura 1). Entre las opciones, se encuentran los RTD (con platino o rodio-hierro), el germanio e incluso los resistores clásicos basados en carbono. Sin embargo, los intensos campos magnéticos de estas configuraciones pueden inducir errores en el sensor de unos pocos K. La realidad en la investigación es que existe una gran demanda de detección en temperaturas de pocos K, para lo que estos transductores son elementos estándar de catálogo que muchos proveedores ofrecen (lo cual es bastante sorprendente cuando uno lo piensa).

Las opciones más complejas incluyen el uso de la dispersión de Brillouin en fibras ópticas y otras técnicas ópticas sofisticadas. Sin embargo, incluso un "humilde" capacitor, con sus dimensiones y forma físicas (y, por lo tanto, su capacidad), puede utilizarse en una distribución de puente, al cambiar en una relación conocida como una función de temperatura cuidadosamente modelada.

Sin embargo, estas técnicas no funcionarán para medir la temperatura de cantidades reducidas de moléculas. En esas situaciones, se necesitan enfoques bastante esotéricos. Una distribución barre un campo magnético intenso con un gradiente de precisión alrededor del objetivo capturado, luego observa cómo sus moléculas se distribuyen a lo largo de ese campo e indican su energía y, por lo tanto, su temperatura. Otro esquema utiliza láseres para empujar las moléculas, donde la cantidad de energía láser frente al movimiento resultante indica la energía objetivo. Estos y otros métodos complejos no solo son difíciles de configurar, sino que requieren numerosas correcciones y compensaciones para las sutilezas de segundo y tercer orden de su física, así como para las imperfecciones del sistema.

Entonces, la próxima vez que sienta la necesidad de quejarse de lo difícil que es su escenario de medición de temperatura, piense en los que trabajan en los rangos de K inferiores a 1 K, o incluso por debajo de esa temperatura. Ese es un mundo espeluznante, y todos los investigadores deben también preguntarse y responder a la eterna pregunta sobre la instrumentación: "¿Cómo calibro, confirmo y valido mis lecturas?". ¡Es casi una pesadilla!

Información sobre el autor

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Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.

En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.

Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.

Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.

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