低溫的獲得與測(cè)量

陳紅雨，姚永才，周小風(fēng)

（浙江大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，浙江 杭州310058）

1 引 言

在低溫的狀態(tài)下，物質(zhì)的物理性質(zhì)將發(fā)生變化，會(huì)顯現(xiàn)出一些常溫下被掩蓋的物理現(xiàn)象.因此低溫技術(shù)已成為研究物質(zhì)物理特性的新手段和新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)學(xué)、生物等技術(shù)領(lǐng)域的研究.本文提出的低溫的獲得與測(cè)量實(shí)驗(yàn)是在逐步降低液氮溫度并使其達(dá)到預(yù)期低溫狀態(tài)的整個(gè)過(guò)程中進(jìn)行的.通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的操作和數(shù)據(jù)的測(cè)量，進(jìn)一步了解低溫實(shí)驗(yàn)的基本技術(shù)和方法［1］.

2 設(shè)計(jì)原理

低溫實(shí)驗(yàn)通常是在低溫恒溫器內(nèi)進(jìn)行的.將低溫液體置于低溫恒溫器中，由于這些低溫液體的沸點(diǎn)比室溫低，保存在低溫容器里在常壓下大都處于沸騰狀態(tài)，因此溫度恒定于沸點(diǎn)溫度.

常用的低溫液體有液氧、液氮、液氫、液氦等.它們?cè)?.01×105Pa下的沸點(diǎn)溫度如表1所示.

表1 液態(tài)氣體的沸點(diǎn)（1.01×105 Pa）

若降低低溫液體的蒸氣壓即可使其沸點(diǎn)降低，從而得到更低的溫度.所以利用抽氣機(jī)迅速抽去液態(tài)氣體上面的蒸氣，液態(tài)氣體劇烈汽化，吸收汽化熱而使液體本身的溫度不斷下降，抽氣愈快，蒸氣壓降得愈低，汽化愈迅速，溫度降得愈低，甚至可以使液態(tài)氣體固化.如果保持液面上的蒸氣壓強(qiáng)不變，就可以使液態(tài)氣體的溫度維持在該蒸氣壓強(qiáng)下的沸點(diǎn)上.所以降低低溫恒溫器內(nèi)液體的蒸氣壓，可獲得如表2所示的溫度范圍.

表2 降低恒溫器內(nèi)液體的蒸氣壓，獲得的液體的低溫范圍

表2中所列低溫液體中，最常用于低溫實(shí)驗(yàn)的是液氮和液氦.

使用低溫溫度計(jì)，測(cè)量恒溫裝置內(nèi)的溫度隨液體蒸氣壓降低的變化過(guò)程［2］.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由低溫容器、機(jī)械泵、熱水槽、直流電阻電橋和真空壓力傳感器及銅管組成［3］.

低溫容器即為能在低溫的一定溫度范圍內(nèi)，滿足特定低溫實(shí)驗(yàn)條件的恒溫裝置.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)用低溫容器如圖2所示，由不銹鋼高真空廣口壺改裝而成.高真空廣口壺采用進(jìn)口不銹鋼材料，利用太空高科技加工工藝，在600t的壓力下整體一次沖壓成形，再經(jīng)24道工序最后完成的無(wú)縫結(jié)構(gòu)，采用真空無(wú)尾夾層內(nèi)膽保溫，可保持溫度24h以上.

低溫容器的壺體即為不銹鋼高真空廣口壺，另外用不銹鋼設(shè)計(jì)了圓蓋和密封支架，將壺底和圓蓋套住，使整個(gè)壺密封.圓蓋中央開(kāi)有小孔，將銅管焊接在小孔上面，銅管經(jīng)過(guò)熱水槽，接到機(jī)械泵.圓蓋下還設(shè)有測(cè)溫口，用于安裝溫度傳感器.

實(shí)驗(yàn)選擇液氮作為低溫溶液.熱水槽和銅管盤管的設(shè)計(jì)是為了防止低溫氣體直接進(jìn)入機(jī)械泵，造成機(jī)械泵損壞.

圖2 低溫容器實(shí)物圖

低溫溫度測(cè)量選用Pt100鉑電阻作為溫度傳感器，用于測(cè)量容器內(nèi)液氮的溫度.鉑電阻性能穩(wěn)定，熱響應(yīng)時(shí)間短，熱容量低，復(fù)現(xiàn)性較好，滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)量范圍需求.

鉑電阻溫度傳感器的基本值，對(duì)于0℃以下范圍按照下列公式計(jì)算：

其中，Rt為溫度為t時(shí)的電阻，單位為Ω；R0為0℃時(shí)的標(biāo)稱電阻；t為溫度，單位為℃；A＝3.908 3×10-3℃-1；B＝ -5.775×10-7℃-2；C＝-4.183×10-12℃-4.

直流電阻電橋用于測(cè)量鉑電阻的阻值，通過(guò)鉑電阻溫度傳感器Pt100電阻值的變化即可知道液氮的溫度變化.

當(dāng)機(jī)械泵開(kāi)始抽氣，容器內(nèi)液氮的蒸氣壓就會(huì)逐步下降，液氮沸點(diǎn)也隨之降低，若保持液面上的蒸氣壓強(qiáng)不變，低溫容器內(nèi)的溫度就可以維持在該液態(tài)氣體蒸氣壓強(qiáng)下的沸點(diǎn)上.

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)分析

1）測(cè)量0℃時(shí)鉑電阻的標(biāo)稱電阻R0.將Pt100鉑電阻置于冰水混合液中，測(cè)得：R0＝100.6Ω.

2）機(jī)械泵工作，系統(tǒng)開(kāi)始抽氣，用真空壓力傳感器測(cè)量液氮蒸汽壓強(qiáng)變化，用直流電阻電橋測(cè)量Pt100鉑電阻在液氮的不同蒸氣壓下的阻值，數(shù)據(jù)測(cè)量值如表2所示［4-5］.

3）根據(jù)式（1），可得到實(shí)驗(yàn)中液氮在不同蒸氣壓下的溫度t，如表2所示.

4）根據(jù)液氮蒸氣壓與鉑電阻阻值及溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表（表2）可作出液氮蒸氣壓與溫度關(guān)系曲線圖如圖3所示.

圖3 液氮蒸氣壓p與溫度t的關(guān)系曲線圖

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表3）和液氮蒸氣壓與溫度關(guān)系曲線圖（圖3）可以得出，隨著機(jī)械泵不斷抽氣，低溫容器內(nèi)的液氮蒸氣壓不斷下降，相應(yīng)的液氮溫度也隨之降低.根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)液氮溫度和液氮蒸氣壓之間的關(guān)系，可用以下曲線擬合方程表示：

其中，a＝-212.922 91，b＝0.112 424 67，c＝-0.000 281 255 99，d＝2.796 500 2×10-7.

表3 液氮蒸氣壓與鉑電阻阻值及溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

一般情形不采用升高壓力提高沸點(diǎn)，而是利用抽氣機(jī)降低液體的蒸氣壓，液氮可獲得77.3～63.1K的溫度范圍.

本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)也可使液氮獲得79.7～64.9K的溫度范圍，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的低溫的獲得實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和手段，可使容器內(nèi)液氮溫度達(dá)到比常壓下更低的低溫狀態(tài).通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，能清楚了解液氮溫度和液氮蒸氣壓的關(guān)系和獲得方法.該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合，可拓寬學(xué)生知識(shí)面提高學(xué)習(xí)興趣，低溫技術(shù)也成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容之一，提高了教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量.

［1］張訓(xùn)生.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2004.

［2］史永基，史東軍.低溫測(cè)量技術(shù)［J］.傳感器世界，2001，7（11）：23-29.

［3］朱亞彬，魏敏建，何帆，等.真空變溫薄膜電阻測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（1）：28-30，33.

［4］孫淑鳳，陳流芳.低溫測(cè)量中壓力傳感器的改進(jìn)與標(biāo)定［J］.深冷技術(shù)，1999（5）：28-30.

［5］崔文德，李鐵鵬，牛建永，等.熱敏電阻低溫測(cè)量方法研究［J］.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2010，30（4）：25-31.