孟秋敏 欧阳峥嵘 李洪强 石 磊
(中国科学院强磁场科学中心 合肥 230031)
摘 要:以铑铁温度计为研究对象,研究了其在0—16 T磁场下、2—300 K温区内的磁致电阻效应。结果表明:铑铁温度计在0—16 T场强下, 2—77 K温区内磁效应随场强的增强和温度的降低而明显升高, 77—300 K温区内温度计受磁场的影响较小,其中在16 T、2 K处,以及16 T、300 K处的磁效应分别为70. 94%和-0. 2%。由磁阻引起的温度计测量误差在2—10 K温区内随场强递增,在4·2 K、16 T场强下温度误差达到了11. 13 K。铑铁温度计不推荐应用在77 K以下4 T以上的磁场环境。
关键词:铑铁温度计 强磁场 变温 磁致电阻效应
中图分类号:TB663,O441 文献标识码:A 文章编号: 1000-6516(2011)01-0032-03
1 引 言
强磁场作用下的物理学、化学、材料科学、生物学、地学、磁共振技术和微重力技术等研究已经成为新的学科方向。温度与物理特性的关系研究又是强磁场下低温物理实验研究的重要内容之一,需要进行精确的温度测量和控制[1] 。然而由于磁场的存在,当温度一定时磁场的改变会使温度传感器示值发生变化,称此为磁致电阻效应,且不同类型的温度传感器在不同磁场强度、不同温度下的磁效应不同[2] 。
这会对磁场环境下低温物理实验的温度测量精度、研究成果的获得产生不利的影响。因此有必要开展低温温度传感器的磁致电阻效应研究,同时也可为温度传感器在磁阻方面的改进提供数据支持。
本项目将开展一系列不同低温温度传感器的磁致电阻效应研究,首先以铑铁温度计为研究对象,研究其在0—16 T磁场下, 2—300 K温区的磁效应
2 实 验
先把铑铁温度计安装在可在2—300 K温区变温的样品腔底部,再把样品腔放入16 T超导磁体腔。铑铁温度计通0. 5 mA的电流,超导磁体场强分别固定在2、4、7、8、10、12、14、16 T,依次读取铑铁温度计在2—300 K温区内选取的83个温度测量点的电阻,并与0 T时对应温度下的电阻进行比较分析。
2. 1 温度计安装
铑铁温度计安装在样品腔底部用高热导无氧铜制成的样品座上,温度计和样品座之间有一层使二者既绝缘又高导热的宝石膜。为了进一步提高铑铁温度计的导热效果,首先用吹化的铟片紧密包裹,再用清漆(GE Varnish)粘在宝石膜上,温度计表面再涂一层导热脂(ApiezonN Grease)。
2. 2 温度控制
4. 2 K以下的温度通过升高或降低安装有铑铁温度计的样品腔外围的液氦压力获得。4. 2 K以上的温度通过控制样品腔外围氦流的流速和样品座下面的加热器功率来获得。温度通过样品座底下的Pt温度计和负温度系数温度计(NTC)来控制,其中80—300 K和2—100 K分别以Pt温度计和NTC的显示示数为准, 80—100 K以2个温度计的加权平均值为准[3] 。
3 实验结果分析
本研究中铑铁温度计的磁致电阻效应以相对电阻偏差ΔR /R0来表征,ΔR /R0越大,温度计受磁场的影响则越大。
式中:R(B,T)为铑铁温度计在场强为B、温度为T时的电阻;R(0,T)为无磁场环境下温度为T时的电阻。
3. 1 铑铁温度传感器在0 T、16 T场强的R-T曲线比较
铑铁温度传感器在零场和16 T时的电阻R与温度T的关系见图1。0 T和16 T场强下,传感器电阻都随温度的升高而升高。在低温区二者的R-T曲线具有明显的差别,相同温度下, 16 T场强对应的电阻值较0 T下高。以温度传感器在4. 2 K处的电阻值为例, 0 T时显示的电阻值为3. 75Ω, 16 T时对应的电阻为5. 55Ω,比0 T时的电阻值高48%。77 K以上,温度传感器在0 T和16 T场强下的电阻差别随温度的升高逐渐变小,并逐渐趋于一致。其中铑铁温度传感器在77 K处, 0 T和16 T时的电阻误差为0.46Ω,相差3. 6%,而300 K时的电阻误差为0. 11Ω,相差较小,为-0. 2%。
3. 2 铑铁温度计的磁效应分析
图2为铑铁温度计在不同场强下磁效应随温度的变化规律。在一定场强下,温度计磁效应在2—77K温区内随温度的降低而升高,且温度越低,磁效应的变化率越大。77 K以上,磁效应随温度的变化趋于平缓,在高温区还有负磁效应出现。铑铁温度计的部分磁效应见表1。
图3为铑铁温度计在不同温度下磁效应随场强的变化。在2—77 K温区下,铑铁温度计磁效应随场强变化比较明显,随场强单调递增,且温度越低,磁效应随场强的变化越大。77 K以上,温度计磁效应随场强的变化比较平缓,区别较小。铑铁温度计不推荐应用在77 K以下4 T以上的磁场环境。
3. 3 铑铁温度计由磁阻产生的测量误差ΔT
图4为铑铁温度计在2—10 K温区、2—16 T内由磁场引起的测量误差ΔT。温度测量误差随场强的增加而递增,且场强越高,温度误差增加率越大。以
4. 2 K为例,在2、4、7、10、12、14、16 T的测量误差分别为0. 32℃、0. 98℃、2. 55℃、4. 75℃、6. 62℃、8·78℃、11. 31℃。可见铑铁温度计在4. 2K处, 4 T以上场强环境下的相对误差最小为23·3%,在16 T处达到269. 4%,不推荐应用。
场强越高,铑铁温度计误差随温度的变化相对越明显。在不同场强下,温度误差随温度的变化还呈现出同一种规律:温度误差随温度的增加先减小后增加,且产生最低误差的温度点随场强的不同而不同,如在2、10、16 T下分别在4. 2、6、8 K处产生最小温度误差。
4 结 论
通过实验研究铑铁温度计在0—16 T磁场下,2—300 K温区的磁致电阻效应可得到以下结论;
(1)铑铁温度计在0—16 T场强下, 2—77 K温区内受磁场影响较大,磁效应随场强单调递增,随温度的降低而升高,且温度越低,磁效应的变化率越大,其中在16 T、2K处磁效应为70. 94%。在77—300K温区内,铑铁温度计受磁场的影响较小,磁效应随温度的升高逐渐趋于一致,其中16 T、300 K处的磁效应为-0. 2%。
(2)2—10 K温区内,铑铁温度计测量误差随场强的增加而递增,且场强越高,温度误差增加率越大,在4. 2 K、16 T场强下,温度误差达到了11. 13 K,相对温度误差为269. 4%。铑铁温度计不推荐应用在77 K以下4 T以上的磁场环境。
参考文献
1 郭树权,崔长庚,姚成国.强磁场下的温度控制与测量[J].物理,
1988, 17(8): 502-503, 510.
2 阎守胜,陆 果.低温物理实验的原理与方法[M].北京:科学出版社, 1985.
3 美国Quantum Design公司.PPMS-16ResistivityOptionUserManual[C].
