Способ определения температуры в диапазоне от 10 до 200 К

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ДИАПАЗОНЕ ОТ 10 ДО 200 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 10 до 200 К, в котором в исследуемый объем 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. 11397 1 2008.12.30 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. Известен способ оптического дистанционного измерения 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 Р-2,3,7,8,12,13,17,18-октаэтилпорфина. Температура определялась из отношения пиковых интенсивностей полос термически активируемой замедленной флуоресценции и фосфоресценции. Недостатками данного способа являются 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 оптического способа измерения температуры в диапазоне от 10 до 200 К. Для выполнения поставленной задачи предложен способ измерения температуры, использующий зависимость люминесценции молекул от температуры и заключающийся в измерении интенсивностей полос люминесценции, по соотношению которых судят о температуре исследуемого объекта. Способ определения температуры в диапазоне от 10 до 200 К, в котором в исследуемый объем 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 измерения температуры 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 было обнаружено проявление свечения двух спектральных форм, существующих в основном в электронном состоянии, и показана зависимость регистрируемых спектров фосфоресценции от температуры 3, 4. Пример 1.-порфин (см. 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 об 2 11397 1 2008.12.30 разцов используют лазерное излучение перестраиваемых по длинам волн лазеров на растворах красителей. На фиг. 2 а, б приведены спектры фосфоресценции -порфина в матрице н-октана при температурах 4,2 и 50 К соответственно. При температуре 4,2 К спектр фосфоресценции представляет собой суперпозицию спектров двух форм. Коротковолновая форма 0 с частотой 0-0 перехода 15737 см-1 соответствует плоской конформации молекулы -порфина,а длинноволновая форма 1 с частотой 0-0 перехода 15658 см-1 - неплоской структуре макроцикла 4. Как видно из фиг. 2 б, при повышении температуры до 50 К в спектре проявляются новые линии, наиболее интенсивные из которых имеют максимумы при 15823 и 15867 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. Для доказательства факта температурной активации линий в спектрах фосфоресценции формы 0 были построены аррениусовские зависимости. В качестве анализируемой величины взято отношение интенсивности термически активируемой линии, соответствующей излучательному 0 переходу к интенсивности линии, соответствующей испусканию фосфоресценции из нижнего триплетного состояния Т 1. На фиг. 3 представлена зависимость для линии с частотой 15823 см-1. Путем экстраполяции зависимостей к нулевому значению интенсивности определена температура, при которой возможно наблюдать в спектрах фосфоресценции соответствующую линию. Величина этой температуры равна 23 К и представляет собой нижнюю границу измерения температуры с помощью данного датчика. Полученные калибровочные зависимости имеют вид Т 166/(2.06 (15823/15737 и Т 260/(2.16 - (15867/15737 для линий с частотами 15823 и 15867 см-1 соответственно. Пример 2. Аналогичные измерения проведены с тем же датчиком для неплоской 1 формы порфина в матрице н-октана. Построены зависимости Аррениуса для линий с частотами 15723 и 15850 см-1. Калибровочные зависимости имеют вид Т 101/(1.48 - (15723/15658 и Т 260/(0.41 - (15850/15658 для линий с частотами 15723 и 15850 см-1 соответственно. Таким образом, для определения температуры необходимо измерять интенсивности фосфоресценции из нижнего триплетного 1 состояния и термически активируемого Т состояний фосфоресцирующего датчика. На основании полученных результатов можно предложить способ создания семейства дистанционных молекулярных термометров для измерения температуры в диапазоне от нескольких градусов К до температур, близких к температуре плавления н-парафинов. Источники информации 1. .. - 2002. - .81. -. 2478-2480. 2. Шпольский Э.В. УФН. - 1960. - Т.71. - С. 215-242. 3.,. . . . - 1970. - .35. - . 359-375. 4. Старухин А.С, Крук Н.Н. Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем. Международная конференция Сб. ст. - Мн., 2006. - Т С. 128-130. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4