Um auch im kryogenen Temperaturbereich zuverlässige Aussagen zur Wärmeleitung in ausgewählten Materialien treffen zu können wurde am ILK Dresden ein Versuchsstand zur Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit aufgebaut. Definiert ist die Wärmeleitfähigkeit \( \lambda \) eines Materials als Wärmestrom \( \dot{Q} \) über einen definierten Querschnitt \( A \) und einer Länge \( l \) bei einer von außen aufgeprägten Temperaturdifferenz \( \Delta T \). \begin{equation} \lambda = \frac{\dot{Q} \cdot l}{A \cdot \Delta T}\left[ \mathrm{\frac{W}{m\:K}} \right] \end{equation} Die Wärmeleitfähigkeit kann auch als Wärmeleitwiderstand aufgefasst werden.

Bei dem verwendeten Messprinzip wird ein Wärmestrom bzw. eine Heizleistung vorgegeben und der Temperaturunterschied über die zu untersuchende Probe gemessen. Dabei muss sichergestellt werden, dass der aufgeprägte Wärmestrom nur über den Probenquerschnitt fließen kann und nicht über die umgebende Struktur oder Atmosphäre. Zur Minimierung dieser Quereinflüsse kann ein symmetrischer Messaufbau gewählt werden, vgl. Abbildung 1, links. Die Probenheizung befindet sich in der Mitte zwischen zwei identischen Proben. Umgeben sind beide Proben von einer gut wärmeleitenden Struktur, der Messzelle. Mit der Heizung wird eine definierte Heizleistung aufgeprägt. Der daraus resultierende Wärmstrom, gelbe Pfeile, wird über die beiden Proben auf die Messzelle übertragen. Die Messungen erfolgen im stationären Zustand und im Vakuum. Mithilfe des Temperiersystems können diese Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen vollautomisch und mit hoher Messgenauigkeit erfolgen. Bei größeren Probenabmessungen sind auch einfachere Anordnungen möglich, vgl. Abbildung 1, rechts.

Wie auch die Wärmeleitfähigkeit ist die Wärmekapazität eine temperaturabhängige, physikalische Größe. Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes bemisst die Fähigkeit thermische Energie zu speichern und sagt aus wie viel Energie notwendig ist um beispielsweise ein Kilogramm eines bestimmten Stoffes um 1 K zu erwärmen. Bestimmt werden kann die spezifische Wärmekapazität \( c \) mit der Heizimpulsmethode. Dabei wird eine Probe, ausgestattet mit einer Heizung und einem Temperatursensor, über eine definierte Zeitdauer erwärmt. Das Integral der zugeführten elektrischen Heizleistung über diese Zeitdauer ergibt die Energiemenge \( Q \) welche notwendig ist um die Probe mit einer Masse \( m \) um die gemessen Temperaturdifferenz \( \Delta T \) zu erwärmen. \begin{equation} c = \frac{Q}{m \cdot \Delta T} \left[ \mathrm{\frac{J}{kg\:K}} \right] \end{equation}

Abbildung 3 und 4 zeigen die Versuchsanordnung. Abbildung 3 zeigt das Temperiersystem mit Kryokühler und Abbildung 4 den auf dem Kaltkopf des Krykühler montierten Probenträger mit einer Probe und Probenheizung.

Ausgehend von einer Referenztemperatur \( T_0 \), und einer Länge \( L_0 \) ändern Materialien ihre geometrischen Abmessungen bei einer Temperaturänderung. Beim Erwärmen dehnen sich die meisten Werkstoffe aus und beim Abkühlen schrumpfen diese. Der physikalische Kennwert für dieses Verhalten ist der temperaturabhängige und werkstoffspezifische Ausdehnungskoeffizient \( \alpha(T) \) \begin{equation} \alpha(T) = \frac{dL(T)}{dT} \cdot \frac{1}{L_0} \left[ \mathrm{K^{-1}} \right] \end{equation} Die Proben werden mithilfe eines Kryokühlers abgekühlt. Anschließend wird die Probentemperatur in einem vorgegebenen Bereich verändert. Die Temperierung erfolgt mithilfe einer elektrischen Heizung am Probenhalter. Gemessen werden zeitdiskret die Längenänderung der Probe und die Temperaturen an beiden Enden der Probe. Aus diesen Größen wird der Ausdehnungskoeffizient \( \alpha(T) \) für jeden Temperaturschritt berechnet.