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在强磁场范围内温度控制器的测量
发布时间:  2017/3/7 9:03:56

          超导磁体的广泛使用,强磁场下许多物理特性与温度的关系,已成为低温物理实验的重要内容,强磁场下温度的测量与控制已成为很有意义的课题。如何在强磁场里利用温度控制器进行控制与测量,也是使用中需要注意的一点。

  各类电阻敏感元件例如金属膜电阻、半导体电阻、二极管正向电阻等,它们的电阻值不仅随温度的变化而变化,而且由于磁阻效应,其电阻值还随着磁场的变化而变化。所以,在使用此类电阻敏感元件时,由于磁场的存在,必会产生误差。例如,用于低温温度测量优势最多的Ge电阻温度计,在4.2K及磁场为8T时,误差高达50%以上,磁场越强,误差越大。所以,许多电阻敏感元件在强磁场下根本不能使用。渗碳玻璃电阻温度计(CGRT)的重现性,稳定性比碳电阻要好得多,并且使用温区览,灵敏度高,磁阻效应又比较小,所以被国内外大多数实验室所采用,特别是用于强磁场里的温度测量。
  由于CGRT的磁阻值可以用一些简单的经验公式来计算,所以为用CGRT进行强磁场里的温度精确控制与测量提供了可能。
  一、强磁场下用电容进行温度控制与测量的特征
  虽然SrTi4电容几乎不受磁场的影响,用它进行强磁场下温度的控制与测量的仪器和探头都已商品化,不少人高度赞扬和评价电容控温的方法。但是,它存在许多不足之处,例如灵敏度不太高,在温度范围为50-80K,和180K以上,由于灵敏度太低而不能使用。另外更大的不足是每测量一个位必须耐心地等半个多小时。因为,在65K附近SrTiO4微晶玻璃有结构变化。另外,还因为由于温度变化会造成电容的膨胀(或收缩)以及电致收缩等。SrTiO4微晶玻璃要出现结构弛豫,此阶段要经过半小时以上才能稳定。所以,在改变温度、调整电容控温仪时,要在电桥平衡点附近进行,以免控温电桥大的不平衡。控温电桥不平衡越大,电容上电压变化越大,电致收缩就越厉害,造成的不稳定性也就越厉害,需要稳定的时间就越长。测量时,如果等候时间不够,在测量时会出现几十毫度到几百毫度的漂移(误差)。此外电容控温仪设备昂贵,需要进口,所以寻找强磁场里温度控制与测量的新方法是有意义的。
  二、用CGRT在强磁场下进行温度的精确控制与测量的方法
  CGRT在磁场里误差比较小,但是要进行精确测量特别是在非常强的磁场里,还是不行,例如在4.21K,19K时,误差就高达330mK。
  由于CGRT的磁阻可以用简单的公式进行精确计算,磁场造成的误差可以消除,所以用CGRT进行强磁场下温度的精确控制与测量是完全可能的。先介绍用CGRT进行强磁场下精确测温的具体方法。
  计算磁阻的公式为:
  100△R/R。=f(T)g(H) ——(1)式
  其中Ro为磁场为零时CGRT的电阻值,它仅仅是温度的函数;△R及为CGRT的磁阻值;f(T)和g(H)分别为T和H的函数。
  由于磁阻效应,在磁场为H、温度为T时(温度T是未知物理量)测量到CGRT的电阻值不是Ro:而是R,R=R。+△R 。 从CGRT温度表查出R对应的温度为T1,T1作为温度T的一级近似,用上式算出和H,T1对应的磁阻△R1;按 R-△R1=R1,再查CGRT温度表,得到与R1对应的温度T2(温度T的二级近似),同样算出和H和T2对应的磁阻△R2;按R-△R2=R2 ,查表得T3(温度T的三级近似)。此时,T与T3之差小于5mK,就获得了强磁场中温度的精确值。
  对于Lake Share公司生产的CGRT,它的磁阻特性可以用磁阻平均值来替换,把磁阻平均值造成的温度误差列成表。
  同样,强磁场里温度的精确控制问题也可以得到解决,具体做法如下:
  在温度不变时,磁阻值只随磁场变化,并且有很简单的抛物线规律,所以可将此变化规律写入控温程序里。如果使用不附程序的控温电桥,例如DW-702控温仪,那么在控温时,当磁场变化时,控温电桥里的电阻箱(或者DW-702里的mV定值器)也作适当的调整,调整的大小正好等于CGRT磁阻的变化,数值可直接由(1)式算出。由于磁场变化而产生的温度漂移基本上被消除,解决了强磁场下精确控温的问题。



 
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