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温度有多低?低温测量是一个截然不同的领域

大多数一般应用的温度测量在相当有限的范围内进行,介于水的冰点和沸点(0°C 至 100°C)之间,但还有许多情况超出了这两个温度水平。幸运的是,市面上提供有额定温度范围为 -50°C 至 +125°C 的低成本、易使用的固态传感器,还有一些特殊传感器支持更广的温度范围。此外,热电偶、电阻温度检测器 (RTD) 和热敏电阻可以处理更宽的温度范围。

例如,Vishay ComponentsPTCSL03T091DT1E 热敏电阻的额定温度范围为 -40°C (277 K) 至 +165°C (438 K),而 TE Connectivity Measurement Specialties R-10318-69 T 型热电偶支持 -200°C (73 K) 至 + 350°C (623 K) 的更宽范围。通常,针对这些测量的传感器不难找到,挑战在于实际应用传感器。

当温度极高,甚至达到数千度时,传感器的选择较为有限,通常只能在不同类型的热电偶或红外传感装置之间进行选择。由于被测源处于高温,因此传感器需要捕获大量能量,同时对被测源的影响最小。

但是,如何测量那些相当低的温度,例如低至两位数(几十 K)、个位数(1 到 9 K)、甚至个位数以下 (<1 K) 区间的温度?有些研究甚至低至 0.01 K,《IEEE 综览》最近的一篇文章《量子计算:原子钟产生更持久的量子位》(Quantum Computing: Atomic Clocks Make for Longer-Lasting Qubits) 讨论了 100 nK 以下的研究工作。(如何实现如此低的温度是另一个引人入胜的故事!)然而,如何确切知晓处于如此低的温度?精确可靠的低温测量是一个非常奇异的领域,原因如下:

  • 首先,虽然物理定律仍然有效,但材料会发生重大转变,其特征和行为也会发生根本变化。在低 K 区,传感器性能、线性度和其他关键特性会有显著变化。我们对水变成冰或蒸汽的原理了然于胸,但对低 K 区的变化却难以掌握。
  • 其次,测量方法通常与用于达到这些温度的方法密切相关。例如,数 T 磁场( multi-Tesla magnetic fields)常常是过冷装置的重要部分(相关方法和原因是另一个话题),而这些磁场会对传感装置及其元件产生重大影响。
  • 第三,深冷项目常常涉及极少量的质量,某些情况下可能仅为几个原子或分子。所以,我们面临双重难题:能量低且数量少的分子。显然,无法连接传感器,即使可以,传感器也会严重影响被测物质。在很多方面,这是量子物理学的海森堡不确定性原理的必然结果,即测量操作会影响被测对象。

然而,科学家和研究人员仍然需要进行这种测量。他们有多种选择,取决于温度低到什么程度和测量对象是什么(固体、气体状团簇中的分子或个别分子),而且在 0 K 附近有大量的研究和许多实际应用。相对而言,处理火箭燃料所用的液氧(90 K,-183°C)和液氢(20 K,-253°C)要容易一些,处理液氮(77 K,-196°C)也是如此。相比之下,液氦温度在 4 K (−269 °C) 左右,评估难度要大得多,它用于将 MRI 机器的磁铁冷却到超导区间。

温度测量的关键是,务必牢记我们所谓的“温度”实际上是衡量被测对象的能量。与几乎所有温度测量一样,用户必须首先考虑三个规格:所需的覆盖范围、绝对精准确度以及精度(分辨率)。然后,用户需要评估测量装置在这些温度下的影响。

有些令人惊讶的是,一些在“普通”温度下的常用传感器甚至可以在较宽的个位数区间内工作(图 1),其中包括 RTD(使用铂或铑铁)、锗,甚至经典的碳基电阻器。然而,这些装置的强磁场会引起几 K 的传感器误差。研究现状是,对低 K 传感的需求非常大,以至于这些传感器是许多供应商提供的标准目录产品(想一想,这是相当惊人的)。

图 1:多种材料可用于测量超低 K 值的温度,注意垂直刻度不是线性的。CLTS 是一种低温线性温度传感器,即由锰铜和镍箔传感网格组成的扁平柔性传感器;RuO2 是氧化钌。(图片来源:ICE Oxford Ltd.)

更复杂的选择包括在光纤中使用布里渊散射和其他复杂的光学技术。甚至“不起眼”的电容器也可以用于桥式装置中,其物理尺寸和形状以及电容会按已知的关系(精确建模的函数)随温度变化。

但这些技术不适用于测量少量分子的温度,此类情况需要一些非常深奥的方法。一种方案是采用具有精密梯度的强磁场扫描所捕获的目标,然后观察其分子沿该磁场的分布;这种分布会指示分子的能量,从而得出温度。另一种方案是用激光推动分子,通过激光能量与所产生运动的关系得出目标能量。这些方法以及其他复杂方法不仅难以构建,而且需要对物理学的二阶和三阶微妙效应以及系统缺陷进行大量校正和补偿。

因此,下次您想要抱怨温度测量场景遇到的困难时,就想想那些需要在低 K 区间(甚至低至 1 K)进行测量的人吧。那是一个诡异的世界,任何研究人员还必须询问并回答永恒的仪器问题:“如何校准、确认并验证读数?”这几乎是噩梦!

关于此作者

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Bill Schweber 是一名电子工程师,撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品特性说明。他担任过 EE Times 的多个特定主题网站的技术管理员,以及 EDN 的执行编辑和模拟技术编辑。

在 Analog Devices, Inc.(模拟和混合信号 IC 的领先供应商)工作期间,Bill 从事营销传播(公共关系),对技术公关职能的两个方面均很熟悉,即向媒体展示公司产品、业务事例并发布消息,同时接收此类信息。

担任 Analog 营销传播职位之前,Bill 在该公司颇受推崇的技术期刊担任副主编,并且还在公司的产品营销和应用工程部门工作过。在此之前,Bill 曾在 Instron Corp. 工作,从事材料测试机器控制的实际模拟和电源电路设计及系统集成。

他拥有电气工程硕士学位(马萨诸塞州立大学)和电气工程学士学位(哥伦比亚大学),是注册专业工程师,并持有高级业余无线电许可证。Bill 还规划、撰写并讲授了关于各种工程主题的在线课程,包括 MOSFET 基础知识、ADC 选择和驱动 LED。

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