一种适用于4.2k-4.5k温区的高分辨率超导温度计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低温测量设备，更具体地，涉及一种适用于4.2Κ-4.5Κ温区的高分辨率超导温度计。
【背景技术】
[0002]目前市场上温度计种类繁多，有电阻型、热电偶型、二极管、饱和蒸汽压等。低温常用的温度计如锗电阻温度计、氧化钌电阻温度计、玻璃碳电阻温度计，基本都是负电阻系数电阻温度计，温度越低材料电阻值越大。这种温度计的工作原理是利用四线法精确地测得温度计的电阻值，根据电阻与温度的关系反推温度值，其分辨率可达到100 μ K。
[0003]而随着低温超导领域的发展和进步，越来越多的实验在低温环境下进行，如材料物性测量、超导磁体、超导重力仪器的研发等。为了减小温度波动带来的影响，其中的一些实验对温度提出了极高的控制要求，甚至要求温度波动小于几十μ ko如涉及超导重力仪器的实验，要求温度测量的分辨率要达到几个μ K，市场上的温度计都无法满足其要求。为了将温度控制稳定在目标范围，首先需要有极高分辨率的温度计来测量温度。
[0004]超导体中磁场穿透深度与温度在4.2Κ-4.5Κ温区为线性关系，温度变化能引起磁场穿透深度的变化，从而影响超导体表面的线圈有效电感。如果能对线圈有效电感的变化进行高分辨率的测量，即可反推出该温区的温度变化。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于4.2Κ-4.5Κ温区的高分辨率超导温度计，其中通过对其关键组件如感应线圈、超导体、互感线圈和超导量子干涉仪的具体结构及其设置方式进行研宄和改进，与现有产品相比能显著提高测量分辨率，并且由于超导体中磁场穿透深度与温度在4.2Κ-4.5Κ温区呈线性关系的发觉，而尤其适用于4.2Κ-4.5Κ的液氮温区。
[0006]按照本发明，提供了一种适用于4.2Κ-4.5Κ温区的高分辨率超导温度计，包括感应线圈、隔离元件、超导体、互感线圈以及超导量子干涉仪，其特征在于:
[0007]感应线圈为平面无骨架线圈的形式，并通过隔离元件与超导体予以空间分隔处理；
[0008]互感线圈由初级线圈和次级线圈共同组成，并且初级线圈用于与感应线圈构成第一回路，次级线圈则用于与超导量子干涉仪相连并构成第二回路；并且在第一回路和第二回路中各自串联有热阻开关；
[0009]此外，当在第一回路中注入超导电流且当环境温度变化时，感应线圈产生的磁场在超导体中的穿透深度发生改变，进而影响感应线圈的有效电感，第一回路中的电流随之改变，同时引起第二回路的电流变化，并由超导量子干涉仪对此时的电流变化值执行实时检测，从而可基于该电流变化值的实时检测结果来反推出环境温度的变化值。
[0010]作为进一步优选地，隔离元件为G-1O环氧板。
[0011]作为进一步优选地，超导体的材料为铌。
[0012]在上述的各种超导温度计中，在4.2K-4.5K温区间的测量分辨率优于0.5 μ K。
[0013]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于对感应线圈、超导体和互感线圈之间的结构关系和设置方式进行研宄和改进，同时运用超导量子干涉仪对电流的变化值进行探测，从而显著提高了测量分辨率。
[0014]其次，由于超导体中磁场穿透深度与温度在4.2Κ-4.5Κ温区为线性关系的发觉，本发明在4.2Κ-4.5Κ温区间的测量分辨率与现有技术相比提高了 2个量级，能够实现在液氮温区进行高分辨率的测量。
【附图说明】
[0015]图1是本发明一种适用于4.2Κ-4.5Κ温区的高分辨率超导温度计的结构示意图。
[0016]图2是实施例中探测电流与温度拟合关系曲线。
【具体实施方式】
[0017]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0018]图1是按照本发明的适用于4.2Κ-4.5Κ温区的高分辨率超导温度计的结构示意图。如图1中所示，按照本发明的用于液氦温区高分辨率的超导温度计包括感应线圈1、G-1O环氧板2、超导铌板3、互感线圈4以及超导量子干涉仪5。其中感应线圈I为平面无骨架盘形线圈，G-1O环氧板2形状为两面平行且光滑的薄板，感应线圈I通过G-1O环氧板2与超导铌板3予以空间分隔处理，超导铌板3与G-1O环氧板2接触的面平整且光滑。
[0019]互感线圈4由超导铌线绕成，且为螺旋管结构，包括初级线圈41和次级线圈42。并且初级线圈41用于与感应线圈I构成第一回路，次级线圈42则用于与超导量子干涉仪5相连并构成第二回路；并且在所述第一回路和第二回路中各自串联有热阻开关6，第一回路中热阻开关6用于超导电流的注入，第二回路中的热阻开关6用于确保回路中初始电流为O。
[0020]在第一回路中注入超导电流，当环境温度变化时，感应线圈I产生的磁场在超导铌板3中的穿透深度发生改变，影响感应线圈I的有效电感，第一回路中的电流随之改变，同时通过互感线圈4引起第二回路的电流变化，第二回路中电流的变化值由超导量子干涉仪5实时监测。通过温度与超导量子干涉仪5探测电流之间的灵敏度系数，可以反推环境温度的变化值。
[0021]超导量子干涉仪5的探测电流与温度拟合关系曲线见图2，可看出，在4.2Κ-4.5Κ温区，探测电流与环境温度呈线性关系，其测量分辨率优于0.5 μ K。
[0022]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种适用于4.2K-4.5K温区的高分辨率超导温度计，包括感应线圈(I)、隔离元件(2)、超导体(3)、互感线圈(4)以及超导量子干涉仪(5)，其特征在于: 所述感应线圈(I)为平面无骨架线圈的形式，并通过所述隔离元件(2)与所述超导体(3)予以空间分隔处理； 所述互感线圈(4)由初级线圈(41)和次级线圈(42)共同组成，并且所述初级线圈(41)用于与所述感应线圈(I)构成第一回路，所述次级线圈(42)则用于与所述超导量子干涉仪(5)相连并构成第二回路；并且在所述第一回路和第二回路中各自串联有热阻开关(6)； 此外，当在所述第一回路中注入超导电流且当环境温度变化时，所述感应线圈(I)产生的磁场在所述超导体(3)中的穿透深度发生改变，进而影响所述感应线圈(I)的有效电感，所述第一回路中的电流随之改变，同时引起所述第二回路的电流变化，并由所述超导量子干涉仪(5)对此时的电流变化值执行实时检测，从而可基于该电流变化值的实时检测结果来反推出环境温度的变化值。2.如权利要求1所述的超导温度计，其特征在于: 隔离元件为G-1O环氧板。3.如权利要求1所述的超导温度计，其特征在于: 超导体的材料为铌。4.如权利要求1-3所述的超导温度计，其特征在于: 在4.2K-4.5K温区间的测量分辨率优于0.5 μ K。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于4.2K-4.5K温区的高分辨率超导温度计，包括感应线圈、隔离元件、超导体、互感线圈、超导量子干涉仪以及热阻开关，其中感应线圈为平面无骨架线圈的形式，并通过隔离元件与超导体予以分隔处理，互感线圈由初级线圈和次级线圈共同组成，并且该初级线圈用于与感应线圈构成第一回路,次级线圈则用于与超导量子干涉仪相连并构成第二回路，并且在第一回路和第二回路中各自串联有热阻开关。通过本发明，可根据回路中电流的变化值反推温度的变化，其在4.2K-4.5K温区间的测量分辨率可达0.5μK。
【IPC分类】G01K7/36
【公开号】CN104931149
【申请号】CN201510221977
【发明人】陈亮, 胡咸军, 肖再林, 刘向东
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年5月5日