In figura 1 è schematizzato il “cuore” dell’apparato sperimentale (vedi anche figura 2). Si tratta di una cella ultrasonica cilindrica costruita in acciaio inox 303 (77 mm di lunghezza, 43 mm di diametro esterno e 33 mm di diametro interno), nella quale è posizionato, per mezzo di supporti conici ad anello, un trasduttore ultrasonico piezoelettrico (PbZrTiO3, diametro 10 mm, spessore 0,5 mm). La forma conica degli anelli è stata scelta per minimizzare gli effetti di interferenza sull’eco di interesse causati dalla componente divergente del fascio acustico. I due riflettori (spessore 15 mm), anch’essi in acciaio 303, sono fissati sulla base della cella stessa rispettivamente ad una distanza di 30,5 mm e 46 mm. Sulla superficie esterna dei riflettori è stata praticata una serie di incisioni piramidali che ha lo scopo di disperdere la frazione di segnale trasmessa attraverso il riflettore evitandone il ritorno sulla superficie del trasduttore.

Figura 1 – Schema della cella ultrasonica Figura 2 - Cella ultrasonica

Il circuito ad alta pressione consiste di un contenitore per l’alta pressione (vedi figura 3), un trasduttore e una linea di controllo e misurazione.

Figura 3 – Contenitore per alta pressione

La pressione viene generata e controllata da un amplificatore esterno, mantenuto a pressione ambiente. Il contenitore per l’alta pressione (in acciaio inox, con un volume interno di 420 cm³), specificatamente progettato per questa applicazione, ha un intervallo di operatività che si estende fino ad 100 MPa in un intervallo di temperatura compreso tra 230 K e 400 K; inoltre è provvisto di due passanti a tenuta per cavi elettrici coassiali atti alla trasmissione di segnali ad alta frequenza all’interno della cella ultrasonica.

Misura e controllo della temperatura

La cella ultrasonica e il contenitore ad alta pressione sono posizionati all’interno di un dewar della capacità approssimativa di 60 dm³, contenente olio siliconico come liquido termostatizzante. La temperatura è mantenuta e controllata da un termostato esterno, che garantisce una stabilità di ±0,01 K, e da un sistema a controllo Proportional-Integral-Derivative (P.I.D.) che opera servendosi di una resistenza al platino e un bulbo a incandescenza da 60 W (vedi figura 4).

Questo sistema permette di raggiungere una stabilità a lungo termine all’interno del bagno termostatico di ±1 mK su tutto l’intervallo di operatività. La temperatura associata alla misura della velocità del suono ha un’accuratezza di ±0,01 K ed è determinata come media delle letture di due termometri a resistenza di platino (PRTs), calibrati per confronto con uno standard PRT.

Figura 4 – Schema del sistema di controllo P.I.D.

I due termometri sono posti alle estremità del contenitore per l’alta pressione descritto in precedenza. Il gradiente di temperatura, durante tutta la procedura di misurazione, si mantiene entro i 10 mK.