特殊低温温度传感器_超导温度传感器和高精度温度传感器

特殊低温温度传感器:超导温度传感器 和高精度温度传感器X 张 鹏 王如竹 上海交通大学制冷与低温工程研究所, 200030 上海 低温环境为人们了解未知世界提供了一个崭新的研究环境, 如: 超导技术, 基础物理等 方面的研究. 在许多与低温的研究中,均涉及到微小温度变化的测量.本文在作者实验经验 的基础上,介绍了两种特殊的低温温度传感器,并用它们来测量了超流氦中的热波和超流氦 的二级相变过程中的温度变化. 1 引 言 低温环境为人们提供了一个崭新的研究环境. 自从 James Dewar 发明杜瓦和 Heike Kamerlingh Onnes将氦成功液化以后, 人们借助低温环境发现了许多奇异的现象, 如, 超导、 超流现象,超导量子隧道效应,波色-爱因斯坦凝聚等.这些现象的揭示对人们了解微观世界 及建立新的理论打下了很好的基础. 在许多的低温技术和低温物理的研究中,均涉及到微小温度变化的测量,如何精确地测 量出这些温度变化是低温测量研究领域中的一个重大课题.常规的测量方式,如,热电偶,热 电阻等在特殊的应用场合中均有一定的局限性.热电偶的稳定性较差,灵敏度和测量精度仅 在mK左右,而热电阻的稳定性虽然较好,但其时间常数较大, 不能应用在一些瞬态测量的 场合下.而在低温工程和低温物理的研究中, 常常会碰到测量精度要求较高和时间响应小的 场合,此时,即对温度传感器有一些特殊的要求. 基于以上的原因,在本文中介绍了两种特殊的温度传感器: 超导温度传感器和高精度温 度传感器(HRT) . 前者的测量精度可到 LK 数量级, 其时间常数可到 Ls数量级的范围内; 后 者的测量精度可到 nK数量级. 2 温度传感器的结构 对于超导温度传感器,我们利用超导材料在其转变温度区域内的特性制成.由于在从常 X 国家自然科学基金, 教育部留学回国人员基金项目, 上海市教委青年教师基金项目 ( 2000QN28) 和上海市科技启 明星项目(01QF14027)的资助项目. 收稿日期: 2001-12-31;修回日期: 2002-02-15 第 24卷 第 3期 低 温 物 理 学 报 Vol. 24,No. 3 2002年 8月 CHINESE JOURNAL OF LOW TEMPERATURE PHYSICS Aug. , 2002 导转变为超导的过程中, 电阻的变化可用电压信号精确检出,故其灵敏度极高. 所以,我们正 是利用它的这种有利特性,并且,适当调节其转变温度范围的宽度则可以使得它在转变区域 内的可利用性增强(本文所指的转变温度是超导转变温度) . 超导温度传感器的测量部分是直径为 40Lm 的石英丝,先将其用超声波清洗机清洗干 净,再将石英丝切割成1. 5mm到 2mm大小的小段,并保持石英丝表面的清洁,在显微镜下观 察,其表面应没有杂质和灰尘颗粒;将石英丝在显微镜下, 用银焊牢固地点焊在支架的两端 上,在显微镜下观察,其焊点应很小.然后,对支架进行绝缘处理,并在高温下将绝缘材料进 行硬化一段时间;经过以上加工以后,将超导温度传感器的支架及石英丝用超声波清洗机清 洗干净, 以备镀膜之用; 先后在真空镀膜机中, 在石英丝的外表面上进行真空镀膜上金 ( 20nm)和锡( 100nm) ,金与锡形成了一种超导材料,通过调节金与锡的厚度和通过测量部分 的电流可以使得温度传感器的特性曲线在使用范围内近似线性变化.再在 325K左右进行退 火,退火可以减小银焊焊点与石英丝及石英丝内部的应力;同时,可以使石英丝和所镀上的 金属相进一步稳定, 还可以减少一些不纯化学物质的影响(挥发, 氧化等) [ 1] . 其外形结构图 示于图1. 近年来, 随着低温物理实验技术的发展, 加州大学圣巴巴拉分校( UCSB)物理系低温物 理实验室的科学家发明了一种高精度的温度传感器(HRT) [ 2] , 分辨率达到 10- 10至 10- 11的 范围之间. 高精度的温度传感器的温度感应部分包括一个超导线圈和一定量的顺磁盐( Cu (NH4) 2Br4* 2H2O) . 超导线圈和顺磁盐被放置于一个超导铌管中,在超导铌管中产生的磁场 将超导线圈和顺磁盐所包围, 高精度温度传感器的结构图示于图 2. 其工作原理如下: 所测 量部件的温度变化使顺磁盐的磁化率发生变化, 随后,顺磁盐在磁场中的磁化程度发生变 化,结果导致了超导线圈中的电流发生变化. 由于顺磁盐被紧压方置在超导铌管中,并且其 质量很小( < 7g) ,故能保证其温度均匀. 由于超导线圈是通过相互缠绕的引线与一个 SQUID 相连, 所以超导线圈中电流的微小变化都会被高灵敏度的 SQUID所测量到.由此就可以测 量出被测量部件的温度变化. 图 1 超导温度传感器的结构示意图 图 2 高精度温度传感器的结构示意图 2253期 张鹏等: 特殊低温温度传感器:超导温度传感器和高精度温度传感器 3 温度传感器的标定 在使用中, 温度传感器的标定是最重要的一环.其标定的准确与否关系到所测量的数据 是否可靠.在本研究中,一般所采用的温度标准是用氦的蒸汽压或用商业的标准温度计, 如, Lakeshore 的Cernox温度计等[ 3] . 图 3 超导温度传感器的标定曲线及无量纲灵敏度 一般来说, 超导温度传感器的标定方法 有两种:静态标定与动态标定. 其中动态标 定的方法可以参见文献[ 4] ; 由于在本实验 中,采用的是静态的标定方法, 故本文对静 态的标定方法加以介绍. 在实验中, 随着真 空泵的运转, 氦浴的温度下降, 超导温度传 感器的输出发生变化, 此时, 将超导温度传 感器的输出放大 100 倍, 然后下其数 值,即得到其标定曲线, 如图 3 所示. 由于在 K点以下, 液氦变成了超流氦, 冷却能力变 强,超导温度传感器的输出会发生跳跃, 如 图3所示.通过超导温度传感器的名义电流 为1mA,以保证其自身的发热量极小( < 10- 6W) ,定义无量纲灵敏度为: Sd= d( lnV)d( lnT ) .超导温 度传感器的无量纲灵敏度曲线示于图 3.从图上可以看出其无量纲灵敏度非常高, 甚至高于 一些常用的低温温度计[ 3] .在实验开始或者完毕时, 应对超导温度传感器进行重复标定, 以 保证其稳定性. 由于超导温度传感器的感温部件非常小,时间常数在 Ls的范围内[ 5] ,故能测 量出瞬态的温度变化过程. 高精度温度传感器的标定是使用商用的 Cernox 温度计. 主要的标定过程如下: 同时用 Cernox商用温度计和高精度温度传感器测量出同一位置的温度变化. Cernox 温度计的输出 是以 LK为单位的温度变化,而高精度温度传感器的输出是电压. 通过控制微量加热量使温 度的变化呈阶梯形变化, 如图 4( a)所示.由于 Cernox 温度计的输出具有较大的噪声,故在使 用的时候取其平均值.在计算高精度温度传感器的灵敏度时, 用 Cernox 温度计的输出的两 个台阶的差值 $T ,与相对应的高精度温度传感器的输出差值 $V 相比,得出该台阶的灵敏 度.将相对应的 8个台阶的灵敏度求出,得出其平均值,即为该高精度温度传感器的灵敏度. 在图 4( b)所示的高精度温度传感器的灵敏度约为 4. 59897LK/V.在高精度温度传感器的使 用前,每次均应对其进行标定,得出其平均的灵敏度.通过计算换算得出所测量的温差. 4 应用举例 超流氦中的热波是发生在超流氦中的瞬态过程,其传播速度约为 20m/ s, 并且, 其温升 的幅度不大,一般在 100mK以下.这样, 既要求温度传感器具有较好的精度,还必须具有较 小的时间常数. 所以,用超导温度传感器来测量是比较合适的.其测量结果如图 5所示,图 5 226 低 温 物 理 学 报 24卷 图 4 Cernox 标准温度计的输出及高精度温度传感器的标定曲线 所示的加热热流是脉冲波.从图中可以看出用超导温度传感器所测量出的热波的波形是很 明显的,同时,也证明了超导温度传感器具有较高的精度和较小的时间响应. 在热流密度较 小的情况下,热波基本上保持了加热热流的波形,在热流密度较大的情况下, 由于量子涡旋 等因素的影响, 使得热波的波形发生了变化, 具体的可以参考文献[ 6] . 在超流氦的相变的研究中,由于 He Ò-He Ñ的相变为二级相变,无相变潜热, 故很微小 的热流就可以使处于 K点温度附近的He Ò发生相变. 在相变中所伴随的温度变化很微小, 故用高精度温度传感器来进行测量比较合适.如图 6即是用高精度温度传感器所测量出的 He Ò-He Ñ相变前后的温度变化. 图5 用超导温度传感器所测量出的超流氦中 的热波 图6 压力为 0. 7MPa时, 用四个高精度温度传感器所 测量出的He Ò-He Ñ相变前后的温度变化 所有的测量均在一个高度约为 0. 5cm实验样品腔中进行, 实验样品腔由不锈钢管和附 件组成,实验装置及附件的具体描述可以参见文献[ 7~ 8] .图 6所示的是四个高精度温度传 感器所测量的 K相变过程中沿着实验样品腔的四个位置上的温度变化, 记作 Ti , 从实验样 品腔顶部到底部, i= 1, 2, 3, 4.从实验样品腔的底部向He Ò中加上 q= 50nW/ cm2 的热流. 实验中, 温度 T 2被控以 1nK/ s的速度由 K相变温度以下向 K相变温度以上变化. He Ò-He Ñ的相变首先在实验样品(He Ò)的底部出现.在初始状态时, 实验样品腔中的样品全是He Ò,由于He Ò的导热性能非常好, 所以此时四个高精度温度传感器所测量到的温度是一样 的, 如图 6中 TK4以左所示.在 TK4处所出现的较大的温升表明 He Ñ (Navier-Stokes流体)在 2273期 张鹏等: 特殊低温温度传感器:超导温度传感器和高精度温度传感器 实验样品腔底部出现并形成了一定的温度梯度. 从图 6中可以看出高精度温度传感器具有很高的灵敏度, 能很好地测量出 He Ò- He Ñ相变前后的温度变化. 图中所示的相变温度的不同, 是由于重力的作用使得在实验样品腔 中的He Ò存在随压力不同而产生的不均一性, 由此而产生了相变温度的变化[ 7] . 5 结 论 本文在实验的基础上,介绍了两种特殊的低温温度传感器: 超导温度传感器和高精度温 度传感器的研制与使用. 超导温度传感器具有很小的时间常数和较好的精度,可以用来测量 一些瞬态的温度变化过程,如,超流氦中的热波;高精度温度传感器具有极好的精度,可以用 来测量微小的温度变化过程,如,He Ò-He Ñ相变前后的温度变化过程. 并应用两种温度传 感器测量了超流氦中的热波和He Ò-He Ñ相变前后的温度变化过程,实验结果表明较小热 流密度下的热波能保持加热热流的波形,证明了超导温度传感器具有较好的精度和较小时 间响应常数;在重力作用下,由于在He Ò中产生了随压力不同而产生的不均一性, 由此而 产生了相变温度的变化. 228 低 温 物 理 学 报 24卷 [ 1 ] Borner H, Schmeling T, Schmidt D W. Experimental investigations on fast gold-t in metal f ilm second-sound detector and their applicat ion. J . Low Temperature Physics , 50( 1983) , 405. [ 2 ] FuH Y, Baddar H, Kuehn K, et al. A high-resolution thermometer for the range 1. 6 to 5K. J. of Low Temperature Physics , 111( 1998) , 49. [ 3 ] LakeShore Company, Temperature Measurement and Control , ( 1995) . [ 4 ] Shimazaki T, MurakamiM , Iida T. Second sound heat transfer, thermal boundary format ion and boiling: highly transient heat transport phenomena in He Ò . Cryogenics, 35( 1995) , 645. [ 5 ] 张鹏,王如竹,新型超导传感器的研制与应用,低温工程, 4( 1999) , 276. [ 6 ] Zhang P, Kimura S, Murakami M , Wang R Z. Non-planar and non-linear second sound waves in He Ò . Chinese Physics L etters, 17( 2000) , 43. [ 7 ] 张鹏, 重力作用下He Ò-He Ñ的相变特性, 科学通报, 46( 2001) , 1622. [ 8 ] 伍宇华,张鹏,王如竹,5低温物理学报6 , 23( 2001) , 53. PARTICULAR LOW TEMPERATURE SENSORS: SUPERCONDUCTOR TEMPERATURE SENSOR AND HIGH RESOLUTION TEMPERATURE SENSOR X Zhang Peng Wang Ru-zhu Institute of Ref rigeration and Cryogenics , Shanghai Jiao Tong University , Shanghai 200030 ( Received 31 December, 2001; revised manuscript received 15 February, 2002) Low temperature provides new research arenas, such as superconduct ing technolo- gy, fundamental physics, etc. Minor temperature variation is often measured in many low temperature researches. Two kinds of particular low temperature sensors are present- ed in this paper based on the utilizat ion experience of the authors. The thermal wave in He Ò and the temperature change inHe Ò-He Ñ phase transition are measured by us- ing these temperature sensors. 229 X Project Supported by the Nat ional Natural Science Found of China, Ministry of Educat ion, Shanghai Educat ion Committee( No. 2000QN28) and Shanghai Science and Technology Young Star Program( No. 01QF14027) . 3期 张鹏等: 特殊低温温度传感器:超导温度传感器和高精度温度传感器