深低温区温度传感器技术解析

对于接近绝对零度的极低温区，人们通常认为这只是超低温物理学家的专属领域。然而，事实并非如此。许多重要的材料特性，例如超导电性与超流性，正是在温度降低时才显现出来，并日益受到技术应用的关注。此外，一些宏观量子现象，如约瑟夫森效应（催生了最高灵敏度的磁场传感器——超导量子干涉仪SQUID）和量子霍尔效应（构成了国际电阻单位欧姆的基准），也与低温环境密不可分。

正是基于这些需求，国际计量委员会（CIPM）将国际温标（ITS-90）的下限从接近1 K进一步拓展至1 mK以下，颁布了《2000年临时低温温标》（PLTS-2000）。该温标通过定义³He（氦-3）熔化曲线上压力与温度的关系来给出。原则上，这种固-液相变过程可以用克劳修斯-克拉佩龙方程来描述。但问题在于，我们无法以足够高的精度获知固相和液相的摩尔体积与熵值，因此在实际操作中，采用了一个由国际公认系数定义的多项式来进行标定。

基于³He熔化压的基准温度计

在对样品和温度计进行冷却之前，需要先通过气体处理系统，经由一根毛细管将³He充入测量单元（见图1）。在低温下，测量单元内的压力在2.9至4.0 MPa范围内变化，其测量是通过一个精密的电容式传感器完成的。

该传感器的设计颇为巧妙：测量单元的一面壁被设计成一个薄膜。当压力变化时，这片薄膜会发生形变，从而改变了固定于其上的活动极板与固定对电极（中心极板）之间的距离。这个距离的微小变化，会直接导致电容值的改变。同时，中心极板与另一个参考极板构成了一个在低温下性能稳定的参考电容。通过高分辨率的电容电桥，可以检测到极板间仅为原子直径几分之一的距离变化。这种惊人的灵敏度，使其在1 mK时能够实现约几个μK的温度分辨率，在1 K时也能达到约100 μK的水平。

图1. ³He的熔化压力及其电容式压力传感器的测量原理

其他一级（Primary）测温方法

³He压力与温度之间的关系，最初是利用一级测温法标定的。其中一种关键方法是噪声温度计，它采用一个电阻式SQUID作为温度敏感元件（如表1所列）。其结果也通过多种下文将要讨论的磁温度计进行了交叉验证。

在毫开尔文（mK）温区，核取向温度计是另一种一级测温方法。它的原理依赖于放射性原子核的磁矩会随温度发生有序化排列，而这种有序化程度可以通过其发射的γ射线的各向异性来表征。这种温度计的主要局限在于其工作温区非常狭窄，具体范围取决于传感器的激活状态。如果在低温下使用高活度的传感器，存在过热的风险；反之，在较高温度下使用低活度的传感器，则灵敏度又会不足。

日常应用的实用温度传感器

在实际的科研和工程测量中，更多使用的是各类电阻温度计和磁温度计。

电阻温度计

电阻温度计的原理相对直接，即利用材料电阻随温度变化的特性。前面提到的铑铁（RhFe）电阻适用于1 K以上的温区。当温度进一步降低，锗（Ge）电阻和碳（C）电阻在很长一段时间里都是主流选择。它们属于半导体材料，随着温度降低，载流子被“冻结”，导致电阻急剧变化。近年来，不同制造商又开发了更多类型的电阻器，例如碳玻璃电阻、碳陶瓷电阻以及氧化钌（RuO₂）传感器，为低温测量提供了更多选择。

磁温度计

磁温度计利用的是材料磁化强度随温度变化的特性。当温度计材料中原子电子壳层或原子核的磁矩暴露在均匀的静磁场中时，它们会根据玻尔兹曼分布在一定程度上有序排列。由此产生的宏观磁化强度与温度成反比（遵循居里或居里-魏斯定律），这一变化可以通过磁化率或磁共振测量来探测。

• 硝酸铈镁（CMN）温度计：它利用的是铈离子的电子磁矩，是一种非常实用的测温物质，堪称从1 K以上到10 mK温区的“主力军”。
• 铂核磁共振（Pt-NMR）温度计：对于约30 mK到μK温区的测量，采用纯铂进行的脉冲核磁共振（Pt-NMR）则是标准方法。

这两种磁温度计都面临一个共同的挑战：它们必须在其工作温区的高温端进行精确校准，而不巧的是，在高温端其信号幅度通常很弱。此外，传感器的结构设计和传感物质的纯度都必须保证其响应具有严格的线性关系，因为只有这样，才能通过外推法可靠地测量其工作范围内的更低温度。要获得准确可靠的低温数据，对校准过程、设备配置和材料纯度都有极高的要求。如果您在实际工作中也面临类似的材料低温性能检测挑战，我们非常乐意与您一同探讨解决方案。

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