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如何實現(xiàn)精確可靠的低溫測量?

發(fā)布時間:2019-03-07 責任編輯:xueqi

【導讀】如何確切知曉處于如此低的溫度?精確可靠的低溫測量是一個非常奇異的領域,原因如下:首先,雖然物理定律仍然有效,但材料會發(fā)生重大轉變,其特征和行為也會發(fā)生根本變化。
 
大多數(shù)一般應用的溫度測量在相當有限的范圍內進行,介于水的冰點和沸點(0 °C 至 100 °C)之間,但還有許多情況超出了這兩個溫度水平。幸運的是,市面上提供有額定溫度范圍為 -50 °C 至 +125 °C 的低成本、易使用的固態(tài)傳感器,還有一些特殊傳感器支持更廣的溫度范圍。此外,熱電偶、電阻溫度檢測器 (RTD) 和熱敏電阻可以處理更寬的溫度范圍。
 
例如,Vishay Components 的PTCSL03T091DT1E 熱敏電阻的額定溫度范圍為-40 °C (277 K)至+165 °C (438 K),而TE Connectivity Measurement Specialties 的R-10318-69 T 型熱電偶 支持-200 °C (73 K) 至+350 °C (623 K) 的更寬范圍。通常,針對這些測量的傳感器不難找到,挑戰(zhàn)在于傳感器的實際應用。
 
當溫度極高,甚至達到數(shù)千度時,傳感器的選擇較為有限,通常只能在不同類型的熱電偶或紅外傳感裝置之間進行選擇。由于被測源處于高溫,因此傳感器需要捕獲大量能量,同時對被測源的影響最小。
 
但是,如何測量那些相當?shù)偷臏囟?,例如低至兩位?shù)(幾十K)、個位數(shù)(1到9 K)、甚至個位數(shù)以下 (<1 K) 區(qū)間的溫度?有些研究甚至低至0.01 K,《IEEE綜覽》最近的一篇文章《量子計算:原子鐘產生更持久的量子位》(Quantum Computing: Atomic Clocks Makefor Longer-Lasting Qubits) 討論了100 nK以下的研究工作。(如何實現(xiàn)如此低的溫度是另一個引人入勝的故事!)
 
然而,如何確切知曉處于如此低的溫度?精確可靠的低溫測量是一個非常奇異的領域,原因如下:
 
首先,雖然物理定律仍然有效,但材料會發(fā)生重大轉變,其特征和行為也會發(fā)生根本變化。在低K區(qū),傳感器性能、線性度和其他關鍵特性會有顯著變化。我們對水變成冰或蒸汽的原理了然于胸,但對低K區(qū)的變化卻難以掌握。
 
其次,測量方法通常與用于達到這些溫度的方法密切相關。例如,數(shù)T磁場(multi-Tesla magnetic fields)常常是過冷裝置的重要部分(相關方法和原因是另一個話題),而這些磁場會對傳感裝置及其元件產生重大影響。
 
第三,深冷項目常常涉及極少量的質量,某些情況下可能僅為幾個原子或分子。所以,我們面臨雙重難題:能量低且數(shù)量少的分子。顯然,無法連接傳感器,即使可以,傳感器也會嚴重影響被測物質。在很多方面,這是量子物理學的海森堡不確定性原理的必然結果,即測量操作會影響被測對象。
 
然而,科學家和研究人員仍然需要進行這種測量。他們有多種選擇,取決于溫度低到什么程度和測量對象是什么(固體、氣體狀團簇中的分子或個別分子),而且在0K附近有大量的研究和許多實際應用。相對而言,處理火箭燃料所用的液氧(90 K,-183 °C)和液氫(20 K,-253 °C)要容易一些,處理液氮(77 K,-196 °C)也是如此。相比之下,液氦溫度在4K (−269 °C) 左右——它用于將MRI機器的磁鐵冷卻到超導區(qū)間——評估難度要大得多。
 
溫度測量的關鍵是,務必牢記我們所謂的“溫度”實際上是衡量被測對象的能量。與幾乎所有溫度測量一樣,用戶必須首先考慮三個規(guī)格:所需的覆蓋范圍、絕對精準確度,以及精度(分辨率)。然后,用戶需要評估測量裝置在這些溫度下的影響。
 
有些令人驚訝的是,一些在“普通”溫度下的常用傳感器甚至可以在較寬的個位數(shù)區(qū)間內工作(圖1),其中包括RTD(使用鉑或銠鐵)、鍺,甚至經典的碳基電阻器。然而,這些裝置的強磁場會引起幾K的傳感器誤差。研究現(xiàn)狀是,對低K傳感的需求非常大,以至于這些傳感器是許多供應商提供的標準目錄產品(想一想,這是相當驚人的)。
 
圖1:多種材料可用于測量超低K值的溫度,注意垂直刻度不是線性的。CLTS是一種低溫線性溫度傳感器,即由錳銅和鎳箔傳感網格組成的扁平柔性傳感器;RuO2是氧化釕。(圖片來源:ICE Oxford Ltd.)
 
更復雜的選擇包括在光纖中使用布里淵散射和其他復雜的光學技術。甚至“不起眼”的電容器也可以用于橋式裝置中,其物理尺寸和形狀以及電容會按已知的關系(精確建模的函數(shù))隨溫度變化。
 
但這些技術不適用于測量少量分子的溫度,此類情況需要一些非常深奧的方法。一種方案是采用具有精密梯度的強磁場掃描所捕獲的目標,然后觀察其分子沿該磁場的分布;這種分布會指示分子的能量,從而得出溫度。另一種方案是用激光推動分子,通過激光能量與所產生運動的關系得出目標能量。這些方法以及其他復雜方法不僅難以構建,而且需要對物理學的二階和三階微妙效應以及系統(tǒng)缺陷進行大量校正和補償。
 
因此,下次您想要抱怨溫度測量場景遇到的困難時,就想想那些需要在低K區(qū)間(甚至低至1 K)進行測量的人吧。那是一個詭異的世界,任何研究人員還必須詢問并回答永恒的儀器問題:“如何校準、確認并驗證讀數(shù)?”這幾乎是噩夢!
 
關于作者
 
 
Bill Schweber 是一名電子工程師,撰寫了三本關于電子通信系統(tǒng)的教科書,以及數(shù)百篇技術文章、意見專欄和產品特性說明。他擔任過EE Times的多個特定主題網站的技術管理員,以及EDN的執(zhí)行編輯和模擬技術編輯。
 
在Analog Devices, Inc.(模擬和混合信號 IC 的領先供應商)工作期間,Bill從事營銷傳播(公共關系),對技術公關職能的兩個方面均很熟悉,即向媒體展示公司產品、業(yè)務事例并發(fā)布消息,同時接收此類信息。
 
擔任Analog營銷傳播職位之前,Bill在該公司頗受推崇的技術期刊擔任副主編,并且還在公司的產品營銷和應用工程部門工作過。在此之前,Bill曾在Instron Corp.工作,從事材料測試機器控制的實際模擬和電源電路設計及系統(tǒng)集成。
 
他擁有電氣工程碩士學位(馬薩諸塞州立大學)和電氣工程學士學位(哥倫比亞大學),是注冊專業(yè)工程師,并持有高級業(yè)余無線電許可證。Bill還規(guī)劃、撰寫并講授了關于各種工程主題的在線課程,包括MOSFET基礎知識、ADC選擇和驅動LED。
 
來源:DigiKey  作者:Bill Schweber 
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