Nachdem aufgezeigt wurde, wie man den Kristall prinzipiell abkühlt, wird nun erklärt, wie eine konkrete Temperatur erreicht und gemessen wird, wie es die Abbildung 10 illustriert.
Abbildung 10: Prinzip der Temperaturmessung und Temperaturerzeugung im Kristall. Am
Kupfertisch und Kristall wird die Temperatur mit einem Temperaturfühler
gemessen und über verschiedene elektronische Systeme im PC
registriert. Ein Laborgerät, das wiederum durch den PC angesteuert werden
kann, liefert den Heizstrom für die Hochlastdrahtwiderstände -- die
Heizungen -- welche den Kupfertisch und somit den Kristall erwärmen.
Man darf davon ausgehen, dass das Kühlsystem den Kupfertisch mit konstanter,
ununterbrochender und ausreichender Kühlleistung abkühlt.
Am Kristall wird ein Messwiderstand Pt 100
angeklebt und an das
Voltmeter
angeschlossen. Das Leiterpaar vom Messwiderstand zum Messgerät besitzt
einen inneren seinerseits temperaturabhängigen Widerstand, der die Messung
verfälscht, da der innere Widerstand des Leitersystems zum Messwiderstand
dazu addiert wird. Man kann diesen
Abbildung 11: Prinzip der Vierpunktmessung schematisch dargestellt.
Einfluss beinahe vollständig ausschalten. Für präzise Temperaturbestimmmungen
verwendet man deshalb das Schema der Vierpunktmessung, welches in der Abbildung
11 dargestellt ist.
Das Voltmeter liefert über ein zusätzliches Leiterpaar einen
sehr präzisen Strom =1 mA. Die Spannungsquelle ist intern
hochohmig abgeschlossen Ohm und macht den Strom
unempfindlich gegnüber den temperaturbedingten Widerstandsschwankungen des
Leiters. Also fliesst über den Messwiderstad Pt 100 ein konstanter Strom von der
relativen Genauigkeit . Mit dem anderen Leiterpaar wird ausschliesslich der Spannungsabfall
unmittelbar über dem Messwiderstand Pt 100 gemessen und am Voltmeter als
Widerstandswert durch das ohmsche Gesetz umgewandelt angezeigt. Diese
Spannungsmessung ist sehr präzise, da der Messvorgang intern mit Ohm
abgeschlossen ist. Der temperaturabhängige innere Widerstand der
Leiterpaare übt somit keinen Einfluss auf die Spannungsmessung am Pt
100 aus. Eine genaue Temperaturmessung ist nun möglich.
Über die serielle Schnittstelle RS232 lässt sich das Voltmeter vom PC aus
steuern. Ich habe zu diesem Zweck ein LabView-Programm geschrieben, welches
die Temperaturmessung steuert, indem sich jede Sekunde folgende Sequenz widerholt.
Das Pt 100 wird am seitlichen Ende des Kristalls befestigt, möglichst weit
weg von irgend einer Kupferplatte. Zusätzlich wird am Kupfertisch ein
Temperaturfühler angebracht. Da die Temperaturausbreitung im Kristall, der
durch Wärmeübertragung das thermodynamische Gleichgewicht anstrebt,
endlich ist und ein Temperaturgradient vorhanden ist, kann mit dieser
Anordnung von Temperaturfühlern grob abgeschätzt werden, ob die
Temperatur im Kristall homogen verteilt ist.
Der Kristall soll nun auf eine stabile Temperatur, beispielsweise
K, gebracht und dort gehalten werden. Das LAbView-Programm
gibt dem Digital-Analog-Converter den
Befehl, eine Steuerspannung V zuerzeugen, die
wiederum das angesteuerte Laborgerät dazu veranlasst,
eine elektrische Leistung von Watt zu erzeugen. Diese
Leistung wird an die Heizungen am Kupfertisch abgegeben. Ich kann
also vom LabView aus die Heizung exakt betätigen. Um nun eine geziehlte
Temperatur im Kristall zu erreichen, mussen die Heizleistung und die
Kühlleistung des Kupfertisches einander entsprechen. Da die Wärme von den
Heizungen nicht am selben Ort des Kupfertisches zugeführt wird, wie die
Wärme danach an den Kühlkörper abgegeben wird, herrscht im Innern des
Kupfertisches ein andauernder Wärmefluss. Die Abmessungen und
materialspezifischen Eigenschaften des Kupfertisches bewirken auf seiner
Oberseite, dort, wo der Szintillator liegt, eine genügend homogene
Temperaturverteilung. Jetzt haben wir in der Tat eine konstante Temperatur im
Kristall.