在强磁场里的温度控制与测量

由于超导磁体的广泛使用，强磁场下许多物理特性与温度的关系，已成为低温物理实验的重要内容，强磁场下温度的测量与控制已成为很有意义的课题。
　　各类电阻敏感元件例如金属膜电阻、半导体电阻、二极管正向电阻等，它们的电阻值不仅随温度的变化而变化，而且由于磁阻效应，其电阻值还随着磁场的变化而变化。所以，在使用此类电阻敏感元件时，由于磁场的存在，必会产生误差。例如，用于低温温度测量优势zui多的Ge电阻温度计，在4.2K及磁场为8T时，误差高达50%以上，磁场越强，误差越大。所以，许多电阻敏感元件在强磁场下根本不能使用。渗碳玻璃电阻温度计（CGRT）的重现性，稳定性比碳电阻要好得多，并且使用温区览，灵敏度高，磁阻效应又比较小，所以被国内外大多数实验室所采用，特别是用于强磁场里的温度测量。
　　由于CGRT的磁阻值可以用一些简单的经验公式来计算，所以为用CGRT进行强磁场里的温度控制与测量提供了可能。
　　一、强磁场下用电容进行温度控制与测量的特征
　　虽然SrTi4电容几乎不受磁场的影响，用它进行强磁场下温度的控制与测量的仪器和探头都已商品化，不少人高度赞扬和评价电容控温的方法。但是，它存在许多不足之处，例如灵敏度不太高，在温度范围为50-80K，和180K以上，由于灵敏度太低而不能使用。另外更大的不足是每测量一个位必须耐心地等半个多小时。因为，在65K附近SrTiO4微晶玻璃有结构变化。另外，还因为由于温度变化会造成电容的膨胀（或收缩）以及电致收缩等。SrTiO4微晶玻璃要出现结构弛豫，此阶段要经过半小时以上才能稳定。所以，在改变温度、调整电容控温仪时，要在电桥平衡点附近进行，以免控温电桥大的不平衡。控温电桥不平衡越大，电容上电压变化越大，电致收缩就越厉害，造成的不稳定性也就越厉害，需要稳定的时间就越长。测量时，如果等候时间不够，在测量时会出现几十毫度到几百毫度的漂移（误差）。此外电容控温仪设备昂贵，需要进口，所以寻找强磁场里温度控制与测量的新方法是有意义的。
　　二、用CGRT在强磁场下进行温度的控制与测量的方法
　　CGRT在磁场里误差比较小，但是要进行测量特别是在非常强的磁场里，还是不行，例如在4.21K，19K时，误差就高达330mK。
　　由于CGRT的磁阻可以用简单的公式进行计算，磁场造成的误差可以消除，所以用CGRT进行强磁场下温度的控制与测量是*可能的。先介绍用CGRT进行强磁场下测温的具体方法。
　　计算磁阻的公式为：
　　100△R/R。＝f（T）g（H） ——（1）式
　　其中Ro为磁场为零时CGRT的电阻值，它仅仅是温度的函数；△R及为CGRT的磁阻值；f（T）和g（H）分别为T和H的函数。
　　由于磁阻效应，在磁场为H、温度为T时（温度T是未知物理量）测量到CGRT的电阻值不是Ro：而是R，R＝R。+△R 。 从CGRT温度表查出R对应的温度为T1，T1作为温度T的一级近似，用上式算出和H，T1对应的磁阻△R1；按 R-△R1＝R1，再查CGRT温度表，得到与R1对应的温度T2（温度T的二级近似），同样算出和H和T2对应的磁阻△R2；按R-△R2=R2 ，查表得T3（温度T的三级近似）。此时，T与T3之差小于5mK，就获得了强磁场中温度的值。
　　对于Lake Share公司生产的CGRT，它的磁阻特性可以用磁阻平均值来替换，把磁阻平均值造成的温度误差列成表。
　　同样，强磁场里温度的控制问题也可以得到解决，具体做法如下：
　　在温度不变时，磁阻值只随磁场变化，并且有很简单的抛物线规律，所以可将此变化规律写入控温程序里。如果使用不附程序的控温电桥，例如DW-702控温仪，那么在控温时，当磁场变化时，控温电桥里的电阻箱（或者DW-702里的mV定值器）也作适当的调整，调整的大小正好等于CGRT磁阻的变化，数值可直接由（1）式算出。由于磁场变化而产生的温度漂移基本上被消除，解决了强磁场下控温的问题。