Способ определения температуры в диапазоне от 4 до 60 К

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ДИАПАЗОНЕ ОТ 4 ДО 60 К(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Старухин Александр Степанович Крук Николай Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения температуры в диапазоне от 4 до 60 К, в котором в исследуемый объем помещают температурный датчик на основе красителя, в качестве которого используют -порфин, растворенный в н-парафине, обеспечивающем формирование спектров 12544 1 2009.10.30 фосфоресценции молекул красителя с высоким спектральным разрешением, измеряют интенсивности линий в спектре фосфоресценции возбужденных молекул красителя, соответствующих их излучательным переходам из нижнего триплетного состояния и термически активируемого состояния в основное, и определяют температуру в указанном объеме по заранее построенной калибровочной температурной зависимости отношения измеренных интенсивностей. Изобретение относится к области оптики, нанотехнологии и органической химии и может быть использовано для создания миниатюрных датчиков для дистанционного зондирования температуры объектов в режиме реального времени для применения в различных областях науки и техники, использующих криогенные температуры. В частности,способ может применяться в условиях воздействия электромагнитных полей для контроля температуры кристаллов различного типа и биологических объектов. Известен способ оптического определения температуры, заключающийся в создании люминесцентного датчика, фотовозбуждении люминесценции датчика, регистрации спектров люминесценции и измерении интенсивностей полос люминесценции, по соотношению которых судят о температуре исследуемого объекта 1. В качестве люминесцентного датчика использована полимерная матрица, активированная молекулами -2, 3, 7, 8, 12,13, 17, 18-октаэтилпорфина. Температура определялась из отношения пиковых интенсивностей полос термически активируемой замедленной флуоресценции и фосфоресценции. В данном способе узкий измеряемый температурный интервал (возможность измерения температуры в диапазоне от 270 до 320 К) и относительно низкая чувствительность,обусловленная малой квантовой эффективностью замедленной флуоресценции. Данный способ характеризуется большой трудоемкостью, которая обусловлена сильным различием (больше 103) пиковых интенсивностей фосфоресценции и замедленной флуоресценции. Это требует применения высокочувствительной системы регистрации свечения с большим динамическим диапазоном. Задачей данного изобретения является создание люминесцентного способа определения температур в диапазоне от 4 до 60 К. Для выполнения поставленной задачи предложен способ определения температуры в диапазоне от 4 до 60 К, использующий зависимость люминесценции молекул от температуры и заключающийся в измерении интенсивностей полос люминесценции, по соотношению которых судят о температуре исследуемого объекта. Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения температуры в диапазоне от 4 до 60 К в исследуемый объект помещают температурный датчик на основе красителя, в качестве которого используют -порфин, растворенный в н-парафине, обеспечивающем формирование спектров фосфоресценции молекул красителя с высоким спектральным разрешением, измеряют интенсивности линий в спектре фосфоресценции возбужденных молекул красителя, соответствующих их излучательным переходам из нижнего триплетного состояния и термически активируемого состояния в основное, и определяют температуру в указанном объеме по заранее построенной калибровочной температурной зависимости отношения измеренных интенсивностей. Предлагаемый способ определения температуры в диапазоне от 4 до 60 К использует эффект получения высокоразрешенных спектров люминесценции органических соединений при растворении их в предельных углеводородах с последующим охлаждением полученных образцов до температур жидкого азота (77 К) либо жидкого гелия (4,2 К) 2. При фотовозбуждении растворов тетрапиррольных соединений в н-парафинах при низких температурах в спектрах люминесценции наблюдаются наборы узких линий с полушириной 10 см-1. В спектрах фосфоресценции -порфина в растворах н-парафинов при низких температурах наблюдалась хорошо разрешенная колебательная структура 3, 4 и в 2 12544 1 2009.10.30 выполненных авторами экспериментах была установлена зависимость регистрируемых спектров фосфоресценции от температуры. Пример 1-порфин (фиг. 1) растворяют в н-парафинах при комнатной температуре и концентрации 110-6 М, которую определяют спектрофотометрически при комнатной температуре с использованием известных величин коэффициентов экстинкции. Растворы порфина в матрицах н-парафинов помещают в стеклянный капилляр и запаивают. Полученный датчик помещают в оптический криостат. Спектры фосфоресценции регистрируют на автоматизированном люминесцентном спектрометре. Для возбуждения образцов используют ультрафиолетовое излучение с длиной волны 350-400 нм. На фиг. 2 а, б приведены спектры фосфоресценции -порфина в матрице н-нонана при температурах 4,2 и 30 К соответственно. Как видно из фиг. 2 б, при повышении температуры до 30 К в спектре проявляются новые линии, наиболее интенсивные из которых имеют максимумы при 16295, 16355 и 16392 см-1. Интенсивность этих линий последовательно увеличивается с ростом температуры. Проявление этих линий обусловлено излучательной дезактивацией высокорасположенных триплетных состояний молекулы -порфина, которые начинают заселяться по мере роста температуры. При этом монотонно падает интенсивность линии с частотой 16278 см-1 с ростом температуры, которая является самой интенсивной в спектре при 4,2 К. Для доказательства факта температурной активации линий в спектрах фосфоресценции -порфина были построены аррениусовские зависимости. В качестве анализируемой величины взято отношение интенсивности термически активируемой линии, соответствующей излучательному Т 0 переходу, к интенсивности линии 16278 см-1, соответствующей испусканию фосфоресценции из нижнего триплетного состояния Т 1. На фиг. 3 представлена зависимость для линии с частотой 16295 см-1. Путем экстраполяции зависимостей к нулевому значению интенсивности определена температура, при которой возможно наблюдать в спектрах фосфоресценции соответствующую линию. Величина этой температуры равна примерно 4 К и представляет собой нижнюю границу измерения температуры с помощью данного датчика. Калибровочная зависимость для определения температуры имеет вид Т 20.66/(2.386 - (16295/16278. Пример 2 Аналогичные измерения проведены с тем же датчиком при детектировании изменения интенсивности линии с частотой 16355 см-1. Построена зависимость Аррениуса для этой линии (фиг. 4). Калибровочная зависимость для определения температуры имеет вид Т 35,6/(2.684 - (16355/16278. Таким образом, для определения температуры необходимо измерять интенсивности фосфоресценции из нижнего триплетного 1 и термически активируемогосостояний фосфоресцирующего датчика. На основании полученных результатов можно предложить способ создания семейства дистанционных молекулярных термометров для измерения температуры в диапазоне от нескольких градусов К до 60 К. Источники информации 1. // .. - 2002. - . 81. - 2478-2480. 2. Шпольский Э.В. // УФН. - 1960. - Т. 71. - 215-242. 3..,.,, //. - 1976. .32. - 1371-1375. 4..,. //. - 2007. - . 6727, 67272-1-67272-10. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4