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在強磁場里的溫度控制與測量

   2008年10月27日 14:57  

由于超導磁體的廣泛使用,強磁場下許多物理特性與溫度的關系,已成為低溫物理實驗的重要內容,強磁場下溫度的測量與控制已成為很有意義的課題。
  各類電阻敏感元件例如金屬膜電阻、半導體電阻、二極管正向電阻等,它們的電阻值不僅隨溫度的變化而變化,而且由于磁阻效應,其電阻值還隨著磁場的變化而變化。所以,在使用此類電阻敏感元件時,由于磁場的存在,必會產生誤差。例如,用于低溫溫度測量優勢zui多的Ge電阻溫度計,在4.2K及磁場為8T時,誤差高達50%以上,磁場越強,誤差越大。所以,許多電阻敏感元件在強磁場下根本不能使用。滲碳玻璃電阻溫度計(CGRT)的重現性,穩定性比碳電阻要好得多,并且使用溫區覽,靈敏度高,磁阻效應又比較小,所以被國內外大多數實驗室所采用,特別是用于強磁場里的溫度測量。
  由于CGRT的磁阻值可以用一些簡單的經驗公式來計算,所以為用CGRT進行強磁場里的溫度控制與測量提供了可能。
  一、強磁場下用電容進行溫度控制與測量的特征
  雖然SrTi4電容幾乎不受磁場的影響,用它進行強磁場下溫度的控制與測量的儀器和探頭都已商品化,不少人高度贊揚和評價電容控溫的方法。但是,它存在許多不足之處,例如靈敏度不太高,在溫度范圍為50-80K,和180K以上,由于靈敏度太低而不能使用。另外更大的不足是每測量一個位必須耐心地等半個多小時。因為,在65K附近SrTiO4微晶玻璃有結構變化。另外,還因為由于溫度變化會造成電容的膨脹(或收縮)以及電致收縮等。SrTiO4微晶玻璃要出現結構弛豫,此階段要經過半小時以上才能穩定。所以,在改變溫度、調整電容控溫儀時,要在電橋平衡點附近進行,以免控溫電橋大的不平衡。控溫電橋不平衡越大,電容上電壓變化越大,電致收縮就越厲害,造成的不穩定性也就越厲害,需要穩定的時間就越長。測量時,如果等候時間不夠,在測量時會出現幾十毫度到幾百毫度的漂移(誤差)。此外電容控溫儀設備昂貴,需要進口,所以尋找強磁場里溫度控制與測量的新方法是有意義的。
  二、用CGRT在強磁場下進行溫度的控制與測量的方法
  CGRT在磁場里誤差比較小,但是要進行測量特別是在非常強的磁場里,還是不行,例如在4.21K,19K時,誤差就高達330mK。
  由于CGRT的磁阻可以用簡單的公式進行計算,磁場造成的誤差可以消除,所以用CGRT進行強磁場下溫度的控制與測量是*可能的。先介紹用CGRT進行強磁場下測溫的具體方法。
  計算磁阻的公式為:
  100△R/R。=f(T)g(H) ——(1)式
  其中Ro為磁場為零時CGRT的電阻值,它僅僅是溫度的函數;△R及為CGRT的磁阻值;f(T)和g(H)分別為T和H的函數。
  由于磁阻效應,在磁場為H、溫度為T時(溫度T是未知物理量)測量到CGRT的電阻值不是Ro:而是R,R=R。+△R 。 從CGRT溫度表查出R對應的溫度為T1,T1作為溫度T的一級近似,用上式算出和H,T1對應的磁阻△R1;按 R-△R1=R1,再查CGRT溫度表,得到與R1對應的溫度T2(溫度T的二級近似),同樣算出和H和T2對應的磁阻△R2;按R-△R2=R2 ,查表得T3(溫度T的三級近似)。此時,T與T3之差小于5mK,就獲得了強磁場中溫度的值。
  對于Lake Share公司生產的CGRT,它的磁阻特性可以用磁阻平均值來替換,把磁阻平均值造成的溫度誤差列成表。
  同樣,強磁場里溫度的控制問題也可以得到解決,具體做法如下:
  在溫度不變時,磁阻值只隨磁場變化,并且有很簡單的拋物線規律,所以可將此變化規律寫入控溫程序里。如果使用不附程序的控溫電橋,例如DW-702控溫儀,那么在控溫時,當磁場變化時,控溫電橋里的電阻箱(或者DW-702里的mV定值器)也作適當的調整,調整的大小正好等于CGRT磁阻的變化,數值可直接由(1)式算出。由于磁場變化而產生的溫度漂移基本上被消除,解決了強磁場下控溫的問題。
 

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