低温物理与技术-第1章 温度和温度计

通常是把纯铂细丝绕在云母或陶瓷架上，防止铂丝在冷却收缩时产生过度的应变。在某
些特殊情况里，可将金属丝绕在待测温度的物质上，或装入被测物质中。在测极低温的 范围时，亦可将碳质小电阻或渗有砷的锗晶体，封入充满氦气的管中。
小型铂电阻温度计
铂电阻温度计
-200~00C的温度范围 R(T)=R(O) (1+AT+BT2+C(T-1O0)T3) 在0～850 ℃范围内
三个导体热电偶
热电偶接线示意图
低温温差电偶的连接
低温下常用：铜－康铜， 镍鉻－康铜 铜－铜铁 铜－金铁 镍鉻－金铁 各种热电偶的灵敏度
热偶温度计可自制吗?
利用热电偶发电的问题
铜—康铜热电偶为例 最大效率为
热电优质因子ZT=S2/ 康铜电阻率 =52.5cm
热导率=23W/(mK)
回路中总的接触电势为：
热电偶总电动势与电子密度NA、NB及两节点温度T、T0有关，电 子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶 的总电动势EAB(T，T0)成为温度T和To的函数差，即
中间导体 如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第 三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导 体C后对回路总电动势无影响。
常见的辐射温度计可分为以光谱辐射度为温度标志的光学高温计和光电高 温计；以辐射出射度为温度标志的全辐射温度计以及比色高温计三种
磁温度计主要用于低温范围，在超低温（小于1K）测量
辐射测温法
其他测温方法
晶体管PN结温度计
最大温度计
新疆吐鲁番火焰山景区 2004年8月16日 巨型温度计直径0.65米，高12米，温度显示高5.4 米，可以实测摄氏100度以内的地表温度、空气温 度，误差不超过正负0.5度
Universal Fermi liquid crossover and quantum criticality in a mesoscopic system
Nature 526，237（2015）
Nanotechnology studies explore the extreme properties of strongly interacting electronic systems through conductance measurements, and probe quantum phase transitions close to absolute zero temperature.
低温实验技术主要是研究深冷和极低温的获得，低温温度的控制和测量等。
为了便于学术交流以及沟通彼此之间的思想，我们应尽可 能使用推荐的术语 ，尽量不要个人创造词汇。
120—80K叫做LNG温度(液化天然气温度) 80一63K叫做N2温度(氮温度) 22K—14K叫做H2温度(氢温度) 5.2K一1K叫做4He温度(氦-4温度) 1K—0.3K叫做3He温度(氦-3温度) 1K以下的温度变得越来越重要了，我们将这一温区称为 “超低温”(ULT)
用于低温工作的各种不同温度计的 特性曲线
各种温度计适用温区
1.4.1 电阻温度计
最常用的电阻温度计都采用金属丝绕制成的感温元件，主要有铂电阻温度计和铜电阻温度 计，在低温下还有碳、锗和铑铁电阻温度计。精密的铂电阻温度计是目前最精确的温度计， 温度覆盖范围约为14～903K，其误差可低到万分之一摄氏度，它是能复现国际实用温标的 基准温度计。
1.4.4 PN结温度计
利用的原理是PN结上的正向压降随着温度的升高而下降，对于硅晶体管来说 大约是 2.3 mV/oC，在相当大的温度范围内(75。C～十150。C)线性程度很好。
图中 D为硅二极管，工作时基本上为恒流状态，电位器Rw1和R3用来调节输 出电压与温度的对应关系，R4和Rw2用来调节放大倍数。这是最基本的线路， 为提高其性能还要附加上一些恒流源电路等，结构就复杂了。
Zero-temperature quantum phase transitions and their associated quantum critical points are believed to underpin the exotic finite-temperature behaviours of many strongly correlated electronic systems, such as heavy fermion materials and maybe even high-temperature superconductors. But identifying the microscopic origins of these transitions can be challenging and controversial. In two complementary papers, Zubair Iftikhar et al. and Andrew Keller et al. show how such behaviours can be engineered into nanoelectronic quantum dots, thereby permitting both exquisite experimental control of the quantum critical behaviour and its exact theoretical characterization.
晶体二极管温度计电路图
晶体管温度计具有灵敏度高，线性度 好，体积小等优点，已经开始在各个 领域应用。为了使用方便，国外已有 将晶体管温度计的全部电路集成化， 做成集成电路式的温度测头。另外还 出现了热电晶体管温度计，它是将以 热电偶为测温元件的热电温度计和晶 体管温度计连接起来而组成的。这样 可使热电偶的热电势和晶体管温度计 的输出电压直接迭加。这种温度计像 热电偶温度计一样 测量温度范围大 响 应特性较好 较为灵敏，而且又像晶体 管温度计那样无须基准接点 使用方便。
1.4.2 半导体温度计（RuO2薄膜等）
直径3毫米左右 锗电阻
半导体温度计：锗电阻，
炭电阻，炭玻璃，RuO2（块状）
R T Ae
B /T
它是在0.5mm厚的Al2O3村底上镀一层厚度约为10m 的RuO2薄 膜．贴片尺寸为2.0mm×3.0mm×0.5mm，经研磨厚度可达0.2 mm 此电阻成型时，经过85℃烘烤．实验用的2种电阻在室温下 的阻值分别为5100和1100 RuO2温度计 T=A1R-2+A2R-1+A3+A4R+A5R2
K为玻耳兹曼常数；e为电子电荷：NA(T)、NB(T)为A、B两种 材料在温度T时的自由电子密度。
单一导体中的温差电动势
对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子 就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会 向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而 低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差， 称为温差电动势。
1.3 温度测量和温度计
磁学测温法 声学测温法 频率测温法
根据顺磁物质的磁化率与温度的关系来测量温度 采用声速作为温度标志，根据理想气体中声速的二次方与开尔文温 度成正比的原理来测量温度。 采用频率作为温度标志，根据某些物体的固有频率随温度变化的原 理来测量温度。 物体在任何温度下都会发出热辐射(红外线或可见光),辐射测温法采 用光谱辐射度（即光谱辐射亮度）或辐射出射度（即辐射通量密度） 作为温度标志。 晶体管 二极管 场效应管等也可以用作温度敏感元件
1.4.3 热电偶温度计
两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成图所示的 闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中 既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称 为热电效应。
热电效应
两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称 为测量结成工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。
普冷，通常称为制冷技术，它应用在空调、冰箱等方面。主要是以氨、氟利 昂等为制冷工质，通过高压液体的膨胀来达到低温，并依靠液体的汽化获得 冷量。 深冷温区是以N2，O2，H2，He等气体为工质，通过节流或绝热膨胀达到低 温，使气体液化。
0.3K 以下的极低温需要用3He稀释制冷机及绝热去磁等方法来获得。
1.4 常用的低温温度计
1．气体温度计：多用氢气或氦气作测温物质，因为 氢气和氦气的液化温度很低，接近于绝对零度，故 它的测温范围很广。这种温度计精确度很高，多用 于精密测量。 2．电阻温度计：分为金属电阻温度计和半导体电阻 温度计，都是根据电阻值随温度的变化这一特性制 成的。金属温度计主要有用铂、金、铜、镍等纯金 属的及铑铁、磷青铜合金的；半导体温度计主要用 碳、锗等。电阻温度计使用方便可靠，它的测量范 围为-260℃至600℃左右。 高精度温度计 3．温差电偶温度计：是一种工业上广泛应用的测温 仪器。利用温差电现象制成。两种不同的金属丝焊 接在一起形成工作端，另两端与测量仪表连接，形 成电路。把工作端放在被测温度处，工作端与自由 端温度不同时，就会出现电动势，因而有电流通过 回路。通过电学量的测量，利用已知处的温度，就 可以测定另一处的温度。它适用于温差较大的两种 物质之间，多用于高温和低温测量。有的温差电偶 能测量高达3000℃的高温，有的能测接近绝对零度 的低温。
热电势 S=40V/K
ZT=(40V/K)2/[=52.5cm
23W/(mK)]=410-3
ห้องสมุดไป่ตู้
冷端为300K时，不同ZT值下转换效率 随温度的变化关系
Two-channel Kondo effect and renormalization flow with macroscopic quantum charge states Nature 526，233（2015）
第1章 温度测量与低温温度计
1.1 温度和温标
温度的定义
温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的 剧烈程度。从分子运动论观点看，温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是大量 分子热运动的集体表现，含有统计意义。
温标
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度 数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单 位。1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度， 水的沸点规定为100度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分 度。两点间作100等分，每一份称为1摄氏度。记作1℃。目前国际上用得较多 的温标有华氏温标(F)、摄氏温标（°C）、热力学温标(K)和国际实用温标。
1.2 温区划分
实验室最低温度：0.5nK 最高温度：核聚变温度
温度没有极高点，只有
理论极低点“绝对零 度”。“绝对零度”是 无法通过有限步骤达到 的。
低温温区的划分
一般说来，摄氏零度以下称为低温。若按低温获得方法及应用情况可分为三 个温区。
1. 普冷 0℃～－153℃ （273K～120K） 2. 深冷 －153℃～－272.7℃ （120K～0.3K） 3. 极低温 －272.7℃以下 （0.3K 以下）
辐射测温法
其他测温方法
一切与温度有关的物理性质都有可能用来作为温度敏感器件
定压气体温度计 玻璃液体温度计 双金属温度计
工业用压力表式温度计 定容式气体温度计 低温下的蒸气压温度计 热电偶温度计 电阻温度计 半导体热敏电阻温度计 磁学测温法 声学测温法 频率测温法 在各种物理量的测量中，频率(时间)的测量准确度最高（相对误差 可小到1×10-14）；如石英晶体温度计，核磁四极共振温度计
两种导体的接触电动势
两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如NA>NB．电子 密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体A失 去了电子而具有正电位。相反导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电 位。这样在扩散达到动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。这个电位 差称为接触电动势.