Techniklexikon

Materialien der Kältetechnik

Materialien, für deren Anwendbarkeit in der Kälte- und Kryotechnik die thermische Ausdehnung und die Temperaturabhängigkeit der thermischen und der elektrischen Leitfähigkeit wesentlich sind. Bei Temperaturen im mK-Bereich wird auch das kernmagnetische Moment der in dem Material enthaltenen Atomkerne wichtig. Desweiteren sind die mechanische Belastbarkeit und die generellen Verarbeitungseigenschaften von Bedeutung.

Die thermischen Leitfähigkeiten der Festkörper unterscheiden sich bei der kritischen Temperatur von Helium um 6 Grössenordnungen. Am besten geeignet sind hochreine elementare Metalle. Bei Legierungen ist die thermische Leitfähigkeit viel kleiner als bei Metallen, da die mittlere freie Weglänge der Phononen und Elektronen viel kleiner ist.

Ihre thermische Ausdehnung schränkt die Verwendbarkeit von Polymeren stark ein. Teflon (PTFE) kann bis 4,2 K als Isolationsmaterial benutzt werden. Vespel, ein graphit-beladenes Harz, ist leicht verarbeitbar und ein guter thermischer Isolator.

Alle amorphen Materialien (Kleber, Glas, Harz, Plastik, Schmierstoffe...) leiden wegen der logarithmischen Zeitabhängigkeit der linearen Komponente der spezifischen Wärmekapazität unter sehr langsamer Relaxation. Bei Temperaturen < 100 mK wirkt dies wie ein Leck, deshalb sollten sie in den kältesten Teilen des Kryostaten nicht verwandt werden. Kleber wie z.B. Stycast können bei tiefen Temperaturen verwendet werden. Um das Problem der unterschiedlichen thermischen Kontraktion von Kleber und Metall zu verringern, werden mit Festkörperteilchen beladene Kompositkleber angewendet.

Beim Abkühlen in den mK-Bereich darf die Entropie der Kühlzelle nicht während des Kühlens fallen, weil dann statt der Wärme der Probe die der Kühlzelle abgeführt wird. Wenn ein Magnetfeld zum Experimentaufbau gehört, ändert sich die Entropie der Kernspins, wenn mH < kT. Deshalb sollte in solchen Fällen die Kühlzelle aus Kernen mit I = 0 hergestellt sein.Wasserstoff, das in den meisten Epoxies und Plastikmaterialien vorkommt, sollte vermieden werden, Silber ist über 1 mK akzeptabel. Si und CaCO₃ können als Material in Probenzellen benutzt werden.