35 T強磁場下Cernox和氧化釕溫度傳感器的磁致電阻效應(yīng)研究

孟秋敏

(1中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 合肥 230031) (2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026) (3中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室 北京 100190)

35 T強磁場下Cernox和氧化釕溫度傳感器的磁致電阻效應(yīng)研究

孟秋敏1,2,3

(1中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 合肥 230031) (2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026) (3中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室 北京 100190)

以Cernox(CX-1050、CX-1030)和氧化釕(RX-202、RX-102)溫度傳感器為研究對象，研究了其在0—35 T場強、0.75—69.5 K溫區(qū)下的磁致電阻效應(yīng)。實驗結(jié)果表明：CX-1050和RX-202的磁效應(yīng)和在35 T下的測量誤差都隨溫度的變化出現(xiàn)正負磁效應(yīng)和正負溫度誤差交替的現(xiàn)象，且低于10 K時，磁效應(yīng)隨溫度的變化率明顯增大，在35 T、4.2 K處CX-1050和RX-202的磁效應(yīng)分別為-6.63%、2.21%；總體來說強磁場下受磁阻影響由小到大分別為RX-202、CX-1050、CX-1030、RX-102，尤其RX-202，在1—35 T、4.2 K以下產(chǎn)生的測量誤差小于-0.1 K。Cernox和氧化釕溫度傳感器受磁場的影響都較小。

Cernox 氧化釕 強磁場 磁致電阻效應(yīng)

1 引 言

在磁場環(huán)境下，低溫溫度傳感器由磁阻引起的溫度測量誤差會降低低溫物理研究結(jié)果的準確度，而更高的磁場環(huán)境和更高的溫度測量準確度是強磁場下低溫物理研發(fā)展究的需要。本研究將以Lakeshore公司生產(chǎn)的低溫溫度傳感器Cernox(CX-1050、CX-1030 )和氧化釕(RX-202、RX-102)為研究對象，在由中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心自主設(shè)計、研制的一號水冷磁體提供的0—35 T磁場環(huán)境下，研究其在0.75—69.5 K溫區(qū)的磁致電阻效應(yīng)。Cernox溫度傳感器具有很高的準確度、靈敏度、穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性，廣泛用于低溫溫度測量，氧化釕溫度傳感器測量范圍較Cernox低，為0.05—40 K，二者目前廣泛應(yīng)用于磁場環(huán)境下的低溫測量。

2 實驗結(jié)果分析

本研究中低溫溫度傳感的磁效應(yīng)以相對電阻偏差ΔR/R0來表征，ΔR/R0越大，溫度傳感器受磁場的影響則越大。

其中，R(B,T)為低溫溫度傳感器在場強為B、溫度為T時的電阻，R(0,T)低溫溫度傳感器在無磁場環(huán)境下溫度為T時的電阻[1]。

2.1 CX-1050溫度傳感器的磁效應(yīng)分析

圖1和圖2分別為Cernox溫度傳感器CX-1050在0—35 T、1.2—69.5 K的磁效應(yīng)隨溫度和場強的變化。Cernox磁效應(yīng)隨溫度的變化出現(xiàn)正負磁效應(yīng)交替的現(xiàn)象，交替點分別出現(xiàn)在5 K、17 K、45 K附近。溫度在10 K及以上時，CX-1050磁效應(yīng)隨場強變化比較平緩，在69.5 K、1—35 T下最大磁效應(yīng)和最小磁效應(yīng)只相差-0.81%。低于10 K時，CX-1050磁效應(yīng)隨溫度的變化率明顯增大，隨溫度的降低急劇增加，以35 T場強為例，1.2 K、1.5 K、4.2 K處的磁效應(yīng)分別為-36.06%、-33.21%、-6.63%。

圖2 CX-1050在1.2—69.5 K的磁效應(yīng)隨場強的變化Fig.2 Magnetic field dependence of ΔR/R0 of CX-1050

圖3為CX-1050在1.2—29.5 K溫區(qū)由磁阻引起的測量誤差△T。測量誤差隨溫度的變化也出現(xiàn)正負誤差交替的現(xiàn)象，交替點分別出現(xiàn)在2 K、5 K、15 K附近。CX-1050沒有出現(xiàn)溫度誤差隨場強的升高而增加的規(guī)律，在5 T、29.5 K處產(chǎn)生了最大測量誤差-0.967 K，在25 T、4.2 K處產(chǎn)生了最小誤差0.007 K，在35 T、4.2 K處產(chǎn)生的誤差為0.232 K?？梢奀X-1050受磁場的影響較小。

圖3 CX-1050由磁阻引起的測量誤差Fig.3 Temperature shift of CX-1050 due to magnetic field

2.2 RX-202溫度傳感器的磁效應(yīng)分析

圖4和圖5分別為氧化釕溫度傳感器RX-202在0—35 T、0.75—69.5 K的磁效應(yīng)隨溫度和場強的變化。RX-202磁效應(yīng)與Cernox一樣隨溫度的變化出現(xiàn)正負磁效應(yīng)交替的現(xiàn)象，交替點分別出現(xiàn)在2 K、7 K、18 K、47 K附近。在10 K以下，RX-202磁效應(yīng)隨場強的增高而增高，變化比較明顯，以0.75 K為例，5 T、15 T、25 T、35 T處的磁效應(yīng)分別為2.53%、4.23%、5.18%、6.07%；10 K及以上，磁效應(yīng)隨場強變化比較平緩，且隨溫度的變化差別很小，以10 K為例，1—35 T下最大磁效應(yīng)和最小磁效應(yīng)只相差0.14%。

圖4 RX-202在不同場強下的磁效應(yīng)隨溫度的變化Fig.4 Temperature dependence of ΔR/R0 of RX-202

圖5 RX-202在0.75-69.5K的磁效應(yīng)隨場強的變化Fig.5 Magnetic field dependence of ΔR/R0 of RX-202

圖6為RX-202在0.75—69.5 K溫區(qū)由磁阻引起的測量誤差△T。測量誤差隨溫度的變化也出現(xiàn)正負誤差交替的現(xiàn)象，交替點分別出現(xiàn)在6 K、18 K附近。RX-202也沒有出現(xiàn)溫度誤差隨場強的升高而增加的規(guī)律，在1—35 T、4.2 K以下，溫度誤差最小，小于0.1 K。30 K以下溫差隨場強的變化較??；30 K以上，溫度誤差隨場強的變化率隨溫度的升高而增大，在69.50 K、35 T處，溫度誤差達到了最大值-1.47 K。在35 T，0.75 K、1.2 K、1.5 K、4.2 K、10 K處的溫度誤差分別為-0.087 K、-0.099 K、-0.069 K、-0.408 K?？梢奟X-202受磁場的影響也較小。

圖6 RX-202由磁阻引起的測量誤差Fig.6 Temperature shift of RX-202 due to magnetic field

2.3 Cernox與氧化釕溫度傳感器磁效應(yīng)的對比

圖7為兩種型號Cernox(CX-1050、CX-1030)和兩種型號氧化釕(RX202、RX-102)在35 T、1.2—29.5 K的測量誤差對比。RX-102由磁阻引起的測量誤差最大，且隨溫度的升高而增大，在35 T、29.5 K產(chǎn)生了最大誤差-7.287 K。CX-1030測量誤差隨溫度的變化最平緩，其在4.2 K及以下產(chǎn)生的誤差最大。綜合考慮， RX-202產(chǎn)生的測量誤差最小，CX-1050次之，尤其在4.2 K以下，RX-202產(chǎn)生的測量誤差小于-0.1 K，而CX-1050在此溫區(qū)的測量誤差在0.21—0.27 K之間。因此在溫度低于29.5 K時，總體來說強磁場下受磁阻影響由小到大的溫度傳感器分別為為RX-202、CX-1050、CX-1030、RX-102。

圖7 Cernox和氧化釕溫度傳感器在35 T場強下的測量誤差對比Fig.7 Temperature shift contrast between Cernox and Ruthenium Oxide at 35 T

3 結(jié) 論

通過研究Lakeshore公司生產(chǎn)的Cernox(CX-1050、CX-1030)和氧化釕(RX-202、RX-102)溫度傳感器在磁場強度0—35 T、0.75—69.5 K的磁效應(yīng)，得到以下結(jié)論:

(1)CX-1050和RX-202磁效應(yīng)隨溫度的變化都出現(xiàn)正負磁效應(yīng)交替的現(xiàn)象。二者在10 K及以上溫度時，磁效應(yīng)隨場強變化比較平緩；在低于10 K時，磁效應(yīng)隨溫度的變化率明顯增大，磁效應(yīng)隨溫度的降低急劇增加。在35 T、4.2 K處CX-1050和RX-202的磁效應(yīng)分別為-6.63%、2.21%。

(2)CX-1050和RX-202在35T下由磁阻引起的測量誤差隨溫度的變化也出現(xiàn)正負誤差交替的現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)溫度誤差隨場強的升高而增加的規(guī)律。總體來說這4種溫度傳感器強磁場下受磁阻影響由小到大分別為RX-202、CX-1050、CX-1030、RX-102，尤其RX-202，在1—35 T、4.2 K以下產(chǎn)生的測量誤差小于-0.1 K。Cernox和氧化釕溫度傳感器受磁場的影響都較小。

1 閻守勝，陸 果．低溫物理實驗的原理與方法[M]．北京：科學(xué)出版社，1985．

Yan Shousheng, Lu Guo. Principles and method of cryogenic physics experiment[M]. Beijing: Science Press,1985.

Magnetoresistance of cernox and ruthenium oxide thermometer in 35 T magnetic fields

Meng Qiumin1,2,3

(1Hefei Institutes of Physical Sciences, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031，China) (2University of Science and Technology of China, Hefei 230026，China) (3Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physics and Chemistry Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190，China)

The magnetoresistance of Cernox(CX-1050 and CX-1030) and Ruthenium Oxide(RX-202 and RX-102) thermometer in temperature range of 0.75—69.5 K under the magnetic fields up to 35 T was investigated. Both the temperature error at 35 T and magnetoresistance of CX-1050 and RX-202 appear to be plus and minus alternately with the change in temperature. The change rate of magnetoresistance increases obviously with the temperature below 10 K. The magnetoresistance of CX-1050 and RX-202 is -6.63% and 2.21% respectively at 35 T and 4.2 K. The influence of magnetoresistance on the temperature error of RX-202 is minimal, followed by CX-1050, CX-1030 and RX-102. The temperature error of RX-202 is less than -0.1 K at 1—35 T below 4.2 K. As a whole, the magnetic field effect for Cernox and Ruthenium Oxide thermometer is insignificant.

Cernox； Ruthenium Oxide； high magnetic fields； magnetoresistance

2016-01-13；

2016-02-19

中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點實驗室開放基金(CRY0201420)項目資助。

孟秋敏，女，33歲，碩士。

TB657,TB66

A

1000-6516(2016)01-0011-03