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由于超導(dǎo)磁體的廣泛使用,強(qiáng)磁場(chǎng)下許多物理特性與溫度的關(guān)系,已成為低溫物理實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容,強(qiáng)磁場(chǎng)下溫度的測(cè)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(dǎo)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(yīng),其電阻值還隨著磁場(chǎng)的變化而變化。所以,在使用此類電阻敏感元件時(shí),由于磁場(chǎng)的存在,必會(huì)產(chǎn)生誤差。例如,用于低溫溫度測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)zui多的Ge電阻溫度計(jì),在4.2K及磁場(chǎng)為8T時(shí),誤差高達(dá)50%以上,磁場(chǎng)越強(qiáng),誤差越大。所以,許多電阻敏感元件在強(qiáng)磁場(chǎng)下根本不能使用。滲碳玻璃電阻溫度計(jì)(CGRT)的重現(xiàn)性,穩(wěn)定性比碳電阻要好得多,并且使用溫區(qū)覽,靈敏度高,磁阻效應(yīng)又比較小,所以被國(guó)內(nèi)外大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室所采用,特別是用于強(qiáng)磁場(chǎng)里的溫度測(cè)量。
由于CGRT的磁阻值可以用一些簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算,所以為用CGRT進(jìn)行強(qiáng)磁場(chǎng)里的溫度控制與測(cè)量提供了可能。
一、強(qiáng)磁場(chǎng)下用電容進(jìn)行溫度控制與測(cè)量的特征
雖然SrTi4電容幾乎不受磁場(chǎng)的影響,用它進(jìn)行強(qiáng)磁場(chǎng)下溫度的控制與測(cè)量的儀器和探頭都已商品化,不少人高度贊揚(yáng)和評(píng)價(jià)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(cè)量一個(gè)位必須耐心地等半個(gè)多小時(shí)。因?yàn)?,?5K附近SrTiO4微晶玻璃有結(jié)構(gòu)變化。另外,還因?yàn)橛捎跍囟茸兓瘯?huì)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(xiàn)結(jié)構(gòu)弛豫,此階段要經(jīng)過(guò)半小時(shí)以上才能穩(wěn)定。所以,在改變溫度、調(diào)整電容控溫儀時(shí),要在電橋平衡點(diǎn)附近進(jìn)行,以免控溫電橋大的不平衡??販仉姌虿黄胶庠酱?,電容上電壓變化越大,電致收縮就越厲害,造成的不穩(wěn)定性也就越厲害,需要穩(wěn)定的時(shí)間就越長(zhǎng)。測(cè)量時(shí),如果等候時(shí)間不夠,在測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)幾十毫度到幾百毫度的漂移(誤差)。此外電容控溫儀設(shè)備昂貴,需要進(jìn)口,所以尋找強(qiáng)磁場(chǎng)里溫度控制與測(cè)量的新方法是有意義的。
二、用CGRT在強(qiáng)磁場(chǎng)下進(jìn)行溫度的控制與測(cè)量的方法
CGRT在磁場(chǎng)里誤差比較小,但是要進(jìn)行測(cè)量特別是在非常強(qiáng)的磁場(chǎng)里,還是不行,例如在4.21K,19K時(shí),誤差就高達(dá)330mK。
由于CGRT的磁阻可以用簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行計(jì)算,磁場(chǎng)造成的誤差可以消除,所以用CGRT進(jìn)行強(qiáng)磁場(chǎng)下溫度的控制與測(cè)量是*可能的。先介紹用CGRT進(jìn)行強(qiáng)磁場(chǎng)下測(cè)溫的具體方法。
計(jì)算磁阻的公式為:
100△R/R。=f(T)g(H) ——(1)式
其中Ro為磁場(chǎng)為零時(shí)CGRT的電阻值,它僅僅是溫度的函數(shù);△R及為CGRT的磁阻值;f(T)和g(H)分別為T和H的函數(shù)。
由于磁阻效應(yīng),在磁場(chǎng)為H、溫度為T時(shí)(溫度T是未知物理量)測(cè)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(duì)應(yīng)的溫度為T1,T1作為溫度T的一級(jí)近似,用上式算出和H,T1對(duì)應(yīng)的磁阻△R1;按 R-△R1=R1,再查CGRT溫度表,得到與R1對(duì)應(yīng)的溫度T2(溫度T的二級(jí)近似),同樣算出和H和T2對(duì)應(yīng)的磁阻△R2;按R-△R2=R2 ,查表得T3(溫度T的三級(jí)近似)。此時(shí),T與T3之差小于5mK,就獲得了強(qiáng)磁場(chǎng)中溫度的值。
對(duì)于Lake Share公司生產(chǎn)的CGRT,它的磁阻特性可以用磁阻平均值來(lái)替換,把磁阻平均值造成的溫度誤差列成表。
同樣,強(qiáng)磁場(chǎng)里溫度的控制問(wèn)題也可以得到解決,具體做法如下:
在溫度不變時(shí),磁阻值只隨磁場(chǎng)變化,并且有很簡(jiǎn)單的拋物線規(guī)律,所以可將此變化規(guī)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(shí),當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí),控溫電橋里的電阻箱(或者DW-702里的mV定值器)也作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,調(diào)整的大小正好等于CGRT磁阻的變化,數(shù)值可直接由(1)式算出。由于磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的溫度漂移基本上被消除,解決了強(qiáng)磁場(chǎng)下控溫的問(wèn)題。
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