Конденсаційна камера містить невелику кількість дуже чистого рідкого водню за наявності одного із зазначених вище каталізаторів. Заповнюють її по трубці з нержавіючої сталі, що проходить крізь радіаційну пастку. Тиск пари водню в конденсаційній камері вимірюється манометром, розміщеним поза кріогенною частиною установки. Цей тиск передається до манометра по спеціальній капілярній трубці з матеріалу низької теплопровідності (наприклад, нержавіючої сталі). Для того, щоб уникнути прямого випромінення по капіляру в порожнину, що може призводити до відмінності температури платинових термометрів опору від температури конденсаційної камери, капіляр теж пропускають через спеціальну радіаційну пастку. Необхідно також вжити заходів, щоб на всьому проміжку від конденсаційної камери до манометра температура капіляра була вищою ніж температура на поверхні рідкого водню в камері.
Температура Т90 рівноважного водню залежно від тиску його пари, виміряного манометром, в діапазонах від 17,025 до 17,045 К та від 20,26 до 20,28 К визначається відповідно за формулами (16) і (17). Оскільки нахил кривої цієї залежності зменшується від ЗО кПа • К’1 для 20,27 К до 13,32 кПа • К‘1 для 17,035 К, в останньому випадку необхідно звертати більше уваги на точність вимірювань тиску.
Градуювання термометрів виконують методом безпосереднього звірення показів конденсаційного термометра та платинових термометрів опору, встановлених у гнізда блоку.
Правильність вимірювань можна підтвердити, перевіряючи, чи не впливає на результати вимірювань відношення об’єму рідкого водню до об’єму пари в порожнині.
Реалізацію температури потрійної точки рівноважного водню здійснюють відповідно до методики, наведеної в А.2.1.
Похибка відтворення температури точок кипіння водню перебуває в границях від 0,2 до 1 мК, а потрійної точки становить приблизно ± 0,2 мК. Температурний інтервал плавлення водню не перевищує 0,5 мК.
Вплив домішок на реперні точки водню незначний. Почасти це пов'язано з тим, що не всі найбільш поширені домішки потрапляють у конденсаційну камеру: гази, що мають точки кипіння вищі ніж азот, конденсуються в області, далекій від області рідкого водню. Найбільш імовірні домішки — азот, неон, гелій. Гелій не розчиняється ні в рідкому , ні у твердому водні, і тому не впливає на температуру його потрійної точки. Азот, який має вищу точку кипіння ніж водень, може бути вимороженим у кріостаті. Найнесприятливішою домішкою є неон, наявність якого на рівні 1 • 10’4 % знижує температуру потрійної точки приблизно на 8 мК, а температуру точки кипіння на 1,5 мК.
А.2.3 Потрійна точка неону (24,5561 К)
Відтворюють температуру потрійної точки неону відповідно до методики, наведеної в А.2.1.
Відтворюваність температури потрійної точки неону чистотою 99,9999 мас. % знаходиться в границях ± 0,2 мК. Температурний інтервал плавлення не перевищує 0,8 мК.
Нормальний ізотопний склад неону: 0,0026 моля 21Ne і 0,088 моля 22Ne на 0,909 моля 20Ne. Зміни в ізотопному складі неону можуть зумовити різницю відтворюваних значень температури потрійної точки в границях 0,5 мК. Домішка азоту може знижувати температуру потрійної точки неону приблизно на 2 мК; такі можливі домішки, як гелій, водень, кисень, аргон, на неї практично не впливають.
A.2.4 Потрійна точка кисню (54,3584 К)
Реалізацію температури потрійної точки кисню здійснюють відповідно до методики, яку наведено в А.2.1.
Відтворюваність температури потрійної точки кисню чистотою 99,9999 мас. % знаходиться в границях ± 0,2 мК. Температурний інтервал плавлення не перевищує 0,5 мК.
Змінення температури потрійної точки внаслідок наявності в кисні домішок становить: для азоту мінус 2 мК, для аргону плюс 1 мК, для криптону мінус 0,4 мК, для неону мінус 0,15 мК, для гелію плюс 0,15 мК за умови, що кількість кожної домішки перебуває на рівні 1 • 10’4 %.
А.2.5 Потрійна точка аргону (83,8058 К)
Реалізацію температури потрійної точки аргону здійснюють відповідно до методики, наведеної в А.2.1.
Відтворюваність температури потрійної точки аргону чистотою 99,9999 мас. % знаходиться в границях ± 0,1 мК. Температурний інтервал плавлення не перевищує 0,5 мК.
Наявність 1-Ю'4 % кисню, азоту, метану і вуглекислого газу знижує температуру потрійної точки приблизно на 30 мК.
А.З Потрійна точка ртуті (234,3156 К)
Для реалізації потрійної точки ртуті можна застосовувати герметичні ампули, виготовлені з плавленого кварцу, боросилікатного скла (пірексу) або нержавіючої сталі. В останньому випадку особливу увагу варто звернути на те, щоб усі внутрішні зварні шви були ретельно очищені і відполіровані до дзеркального блиску. Краще застосовувати ампули з нержавіючої сталі тому, що при цьому переохолодження ртуті становить не більше ніж 0,3 К. У разі застосування ампул із боросилікатного скла воно може досягати 6 К.
Розміри ампули повинні забезпечувати можливість градуювання в ній платинових термометрів опору стрижневого типу за умови достатньої глибині їх занурення — від 15 до 20 см нижче рівня ртуті. Кількість ртуті, необхідна для виконання цієї вимоги, становить від 2,0 до 2,5 кг. Як рідину, що забезпечує тепловий контакт у термометричному каналі, звичайно використовують метиловий або етиловий спирт.
Ампулу встановлюють у спеціальний тримач, який (залежно від конструкції установки та обраної методики реалізації потрійної точки ртуті) розміщують у рідинному або сухому кріостаті. Як робочу рідину в кріостаті можна застосовувати спирт (метиловий або етиловий), його суміш із твердою вуглекислотою, ацетон, інші рідини, що мають низьку температуру тверднення. Холодоагентом у кріостаті, як правило, є рідкий азот або суміш спирту з вуглекислотою.
Залежно від конкретної конструкції установки для реалізації реперной точки ртуті необхідний температурний режим ампули підтримують спеціальними нагрівачами і терморегуляторами або через регулювання рівня вакууму у внутрішньому просторі тримача (якщо конструкція передбачає його відкачування) або комбінацією обох методів.
Відтворення температури потрійної точки ртуті можна здійснювати за методикою як тверднення, так і плавлення. У першому випадку температуру в кріостаті задають на 1 К (у випадку ампули з нержавіючої сталі) або від 3 до 6 К (у випадку ампули з боросилікатного скла) нижче за температуру тверднення ртуті, і ртуть повільно охолоджується до температури реперної точки. Після її досягнення, щоб ініціювати процес утворення центрів кристалізації, з термометричного каналу виймають термометр і на його місце встановлюють пробірку зі спиртом, у яку послідовно встанов- •люють декілька попередньо охолоджених у парі рідкого азоту стрижнів (металевих або скляних). Тривалість витримування кожного стрижня в каналі від 3 до 5 хв. Після початку процесу тверднення пробірку виймають із каналу (вона необхідна для запобігання потрапленню в канал паморозі, що утворюється на поверхні охолоджених стрижнів) і в канал установлюють попередньо охолоджений до температури тверднення ртуті термометр. Температуру в кріостаті встановлюють на декілька десятих кельвіна нижче за температуру реперної точки і підтримують на цьому рівні до закінчення процесу тверднення. За умови забезпечення надійної теплоізоляції ампули тривалість відтворення стану трифазної рівноваги може досягати 14 год.
У разі реалізації потрійної точки ртуті за методикою плавлення ртуть, рідка у вихідному стані, спочатку швидко охолоджується і повністю переходить у твердий стан. Потім температура в кріостаті встановлюється на декілька десятих кельвіна вище за температуру реперної точки, і ртуть повільно нагрівається до цієї температури. Для ініціювання процесу плавлення з боку термометричного каналу з нього виймають термометр і встановлюють маленький стрижневий нагрівач потужністю від 5 до 10 Вт або послідовно встановлюють 2 або 3 нагрітих мідних стрижні (на 5 хв кожний). У результаті навколо термометричного каналу створюється шар розплавленого металу. У разі забезпечення надійної теплоізоляції ампули тривалість відтворення стану трифазної рівноваги за цією методикою може досягати 24 год.
Відтворюваність потрійної точки ртуті високої чистоти (99,9999 мас.%) за методикою як плавлення, так і тверднення знаходиться в границях ± 0,1 мК.
А.4 Потрійна точка води (0,01 °С)
Температуру потрійної точки води можна відтворити в герметичних скляних ампулах, що містять воду високої чистоти з ізотопним складом, відповідним до складу океанської води. Об'єм води в ампулі звичайно становить від 400 до 1000 см3. Вздовж осі ампули розташовано термометричний канал для встановлення термометрів, який для поліпшення теплового контакту заповнюють спиртом. У режимі відтворення реперної точки ампула містить лід, воду і водяну пару, що перебувають у термодинамічній рівновазі.
У процесі підготовки ампули до роботи термометричний канал ретельно промивають і висушують, а ампулу охолоджують до температури приблизно 2 °С зануренням у посудину Дьюара з льодом не менше ніж на 1 год. Методика, що рекомендується для відтворення потрійної точки води, полягає у формуванні товстого шару льоду навколо термометричного каналу охолодженням його зсередини сумішшю здрібненої твердої вуглекислоти зі спиртом, а потім у частковому роз- плавленні цього шару (також ізсередини) промиванням каналу водою або спиртом, унаслідок чого формується друга поверхня поділу вода — лід, що безпосередньо примикає до термометричного каналу. Правильно наморожена крижана мантія має вільно провертатися навколо термометричного каналу в разі плавного повороту ампули навколо вертикальної осі.
Допускається для намороження крижаної мантії застосовувати інші методи, наприклад, послідовно вводити в термометричний канал, який для поліпшення теплового контакту наповнено спиртом, металеві або скляні стрижні, попередньо охолоджені в рідкому азоті, але шар льоду, який утворюється при цьому, може мати тріщини, що значно погіршує якість потрійної точки. Під час роботи з ампулою не можна допускати утворення суцільної крижаної кірки в її верхній частині, тому що це може призвести до руйнування ампули.
Протягом перших годин після намороження мантії температура, що вимірюється у термометричному каналі, швидко зростає на кілька десятих мілікельвіна, стаючи стабільною, коли мине час від одного до трьох днів. Таке початкове змінення температури, можливо, обумовлено ростом кристалів льоду і поступовою релаксацією напруг у них. Тому за необхідності градуювання термометрів у потрійній точці води її потрібно підготувати до роботи не менше ніж за добу.
Потрапляння на ампулу сонячного або штучного світла може спричинити значне підвищення температури, що вимірюється встановленим у термометричний канал термометром, порівняно з температурою потрійної точки. Тому рекомендується вживати спеціальні заходи для захисту ампули від різного роду випромінення.
Потрійна точка води, що її приготовано-відповідно до цих рекомендацій і встановлено в крижану ванну, яка забезпечує надійну теплоізоляцію ампули, здатна зберігати температуру сталою з відхиленням не більш як 0,1 мК протягом кількох місяців. У разі заповнення ампул потрійної точки води водою з різних джерел розбіжності в значеннях температури потрійної точки води, одержаних за умови застосування цієї методики, не повинні перевищувати 0,2 мК.
Деякі розбіжності у значеннях температури потрійної точки води, які відтворюються різними ампулами, можуть бути обумовлені і різним умістом у природній воді ізотопів. Океанська вода містить близько 0,016 моля дейтерію 2Н на 100 молів водню 1Н, а також 0,04 моля ізотопу 17О і 0,2 моля ізотопу 18О на 100 молів ізотопу 16О. Це найвищий уміст важких ізотопів для природної води. Континентальні поверхневі води звичайно містять приблизно 0,015 моля дейтерію, а вода, що утворюється під час розтавання полярних снігів, може містити всього 0,01 моля дейтерію на 100 молів 1Н. Ізотопний склад води може дещо змінюватися в процесі її очищення, а ізотопний склад поверхні розділу вода — лід певною мірою залежить також від технології охолодження води. Зміна ізотопного складу води, яка обумовлена збільшенням умісту в ній дейтерію на 0,001 моля (у разі розрахунку на 100 молів 1Н), викликає підвищення температури потрійної точки води на 0,040 мК. Ця величина
відповідна до розбіжності між температурами потрійних точок океанської і звичайної континентальної поверхневої води. Максимальна розбіжність у температурах потрійних точок природної води становить не більш як 0,250 мК.
А.5 Точки плавлення і тверднення металів
А.5.1 Загальні рекомендації
Температуру рівноваги між рідкою і твердою фазами речовини можна реалізувати двома шляхами: як точку плавлення, тобто через перехід з твердої фази в рідку, або як точку тверднення, тобто через перехід з рідкої фази у тверду.
В останньому випадку може мати місце значне переохолодження розплаву, величина якого визначається рядом чинників: природою металу, його чистотою, матеріалом ампули, в якій він міститься, швидкістю охолодження і таке інше
Відповідно до МТШ-90 більшість реперних точок — це точки тверднення металів. Винятком є точка плавлення галію, тому що для цього металу величина переохолодження занадто велика (досягає 70 К).
Реалізація як точок тверднення металів, так і точки плавлення галію передбачає утворення в ампулі мантії твердого металу, яка однорідна завтовшки і повністю оточена рідиною. При цьому утворюються дві поверхні розділу рідина — тверда фаза: внутрішня, що оточує термометричний канал, у процесі фазового переходу вона практично нерухома, і зовнішня, що примикає до стінок ампули або тигля і зміщується в процесі переходу зі швидкістю від 1 до 5 мм/год.
Внаслідок ефекту переохолодження для утворення цих міжфазових границь у разі реалізації точки тверднейня необхідно ініціювати процес утворення центрів кристалізації, бо якщо їхнє утворення відбувається спонтанно й ампула з металом сильно переохолоджується, то теплоти переходу, що виділяється, може виявитися недостатньо для її нагрівання до температури фазового переходу, і плато тверднення різко скорочується або зовсім зникає.
