低温物理实验技术

1、 低温实验技术主耍是研究深冷热交换器节流阀対流热交换器财门杜瓦容黑图4-0-1林德机低温物理实验技术温度降低，物质的物理性质将发生变化，由此为我们提供了研究物性的新手段和新技术，进一步揭开物质世界的奥秘，低温物理已成为物理学科的一个重耍分支。低温技术在其它领域也获得了重要的应用，如空间技术使用低温技术来获得火箭燃料液氢、液氧，用低温技术模拟宇宙空间的真空和低温环境，以便进行A空模拟试验，用低温技术可较长时间保存人体或生物的活组织，为医学、生物等领域的研究开辟了新的途径。通过学习，对低温卜的一些物理现彖有所认识，初步了解低温实验的皋本技术和方法,如测温和控温方法，恒温器结构和设计思想，为今后的应

2、用打卜基础。一.低温温区的划分一般说來，摄氏零度以卜称为低温。若按低温获得方法及应用情况可分为三个温区。普冷0C153C(273K120K)2深冷一153C-272.7C(120K0.3K)3.极低温一2727C以下(0.3K以下)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最。深冷温区是以g2比,居等气体为工质，通过节流或绝热膨胀达到低温，使气体液化。0.3K以卜的极低温需要用He稀释制冷机及绝热去磁等方法來获得。和极低温的获得，低温温度的控制和测鼠等。二、获得低温的方法1直接用液化的气体作为冷源來冷却

3、样品达到低温。最常用的是液氮和液氮。最早将空气液化的是林德(Carl-vonLinde),他在1895年运用对流热交换器和焦耳一汤姆逊节流效应实现了空气液化。装置如图4-0-lo空气经压机压缩成高压气体，经热交换器降温，然后进入対流热交换器内管，经过节流阀后，压力降低，温度卜降。节流后的低压冷气体从对流热交换器的外管流过返回压机，这样便可预冷内管中的高压气体，经预冷后的高压气体节流Z后温度进一步降低，如此重复循环就可将空气液化。Z后于1898和1908年卡翁纳斯(K.Onnes)分别将氢气、氧气液化。液氮一般由空气液化分馆获得，卜表为一个人气压卜儿种液化气的沸点温度表4-0-1气体种类02N2

4、H2Ne3He沸点温度K9018877.344202727.102A1故可近似得到(4-1-4)=AT2两边取对数，整理后得到 e帥牛“Mr(4-1-5)在正常情况卜VVg,可见(4-1-6)沖牛(3+沖。即7将随着丁的升高而减小。我们在实验中将研究这个规律。应当指出，TTO的情况不在讨论范围内。因为TT0时，小注入条件已不复存在，而且耗尽层两端的载流子也将不再符合玻耳兹曼分布。此外，由于实际样品不可能是一个理想的pn结，因此(4-1-5)式所描写的并不是严格的定量关系。实验要求1了解漏热式恒温器结构特点和低温控温测温方法。2测量p-n结样品在774300K范围内的V-T特性，并作图表示。3讨

5、论p-n结用作温度计的可能性。一般地说，只耍一个物理量是温度的单值函数，温度的测量就可以转化为刈这个物理量的测量。但是真正作为温度计，则还有如下这些耍求：灵敏度高稳定性好重复性好容易标定(例如呈线性关系)测温范围大自热效应小(低温测最时这一点更重要)其它(例如无磁效应等)根据上述几条和你的实验结果试行分析，p-n结是否有可能作为低温温度计，并指出它的优缺点。实验的关键是(1)通过p-n结电流的稳定性，可由恒流源保证，但要注意监视。(2)p-n结处温度稳定，可调。T的稳定性与热平衡质最有关，尽管使用了温度控制器，但是否达到热平衡还盂要操作者判断(如何判断？)，从理论上说，达到热平衡要经过无限长时

6、间，这显然是不可能的，耍求在热平衡条件卜测最，目的是保证测盲数据作为温度的单值函数。测最一组实验数据的前后，温度均在测最精度范用内无漂移，就可以认为所得数据是确定温度卜的。此外，灵活使用控温手段(何两个手段！)可以加快热平衡的过程。实验装置1.恒温器恒温器是低温实验装置的核心部分。通常恒温器要根据测駅要求专门设计。本实验选用漏热式恒温器，它的特点是结构简单，不需要高真空系统，但温度的稳定性较Z绝热式恒温器稍差。其结构如图4-1-2所示。所谓漏热式恒温器，是指安装样品的恒温铜块和环境z间不处r热绝缘状态，可以通过气体与外壳交换热龟，平衡时取得和外铜壳接近的温度。恒温铜块与外铜壳z间由热导差的薄壁

7、德银管连接。这种结构可使外铜壳的温度波动对恒温铜块影响减小，恒温铜块用热导良好的紫铜做成，且有足够人的热容起，这样平衡时恒温铜块上的温度梯度很小，对环境温度扰动的影响也得到充分的抑制。辐射屏的作用是减少环境辐射的影响,上辐射屏广”*徳银管引线样品、恒温铜块、C加热器V!、7、测温II热电耦热杆导热杆启下总屏图4-1-2漏热式恒温器结构同时也有利丁稳定恒温器周禺的气氛。所有的测最引线都在恒温铜块上绕了若干圈，以减小引线上的温度梯度。样品和测温热电偶与恒温铜块Z间要有良好的热接触。以上是漏热式恒温器设计中必须考虑的问题。2温度的控制从图4-1-2+看到外铜壳上绕有加热器，卜方还有一根导热杆，改变加

8、热电流或者改变导热杆插入液氮的深度都可以控制平衡时外铜壳的温度，从而达到控制恒温铜块温度的目的。导热杆的插入深度由实验者操作设定，而加热器的电流可以用卜而介绍的控制装置根据设定的温度值进行自动调整。适当选择插入深度是不可忽视的操作，插入A浅会达不到需要的低温：插入太深时升温慢、液氮蒸发多、有时控温系统会发生“热振荡”（为什么？）。卜而是温度控制的原理图 # # #温度控制器中所使用的控温传感器正是本实验的研究対彖pm结。来自传感器的信号电压和由设定温度决定的参考电压分别加在电压比较器的“+”、“一”输入端。当恒 #温器温度低丁设定温度时，信号电压丿丁参考电压，比较器输出电位升高，场效应管漏极电位降低，输出管趋于导通，加热功率增人。反乙加热功率减小，直到平衡。向pm结提供电流的是一个恒流源，这是研究pm结温度特性的重要条件，也是利用pm结温度特性