低温物理与技术低温恒温器
低温恒温器设计
Ｃ ｒ ｙ ｏ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ａ ＤＳ ｉ ｎ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ Ⅱ
Ｗａ ｎ Ｙｕ ｑ ｉ ｎ，Ｎｉ ｕ Ｘｉ ａ ｏ ｆ ｅ ｉ ，Ｈａ ｎ Ｙａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ，Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｐ ｅ ｎ ｇ ，Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｊ ｕ ｎ ｈ ｕ ｉ
导 腔及 螺线 管 均带有 氦 槽 ， 前者 容 积 为 １ ０ ． ８ Ｌ， 后 者为 ４ ． ２ Ｌ ， 工作 温 度 及 压 力 为 ４ ． ４ Ｋ、 １ ． ２ ｂ ａ ｒ 。每
图１ Ｃ Ｍ ２总体结构示 意图
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｔｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ＣＭ２
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ Ｄ Ｓ Ｉ ｎ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ Ｉ Ｉ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｉ ｎ ｓ ｓ ｅ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｃ ｒ ｙ ｏ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｒ ｙ ｏ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ １ ６ ２ ． ５ ＭＨ ｚ ， ＝０ ． ０ ９ ｄ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ
型超 导高频腔 ， 目前 已与上海 应用物 理研究 所合 作 研制一套 测试用恒 温器 （ Ｔ Ｃ Ｍ１ ） ， 现 已完成 加工 ， 进 入测试 准备 阶 段 。从 Ｔ Ｃ Ｍ１的设 计 中学 习 了很 多
宝贵的经验， 也发现 了一些问题 ， 同时借鉴 国外实
验室 的一些 成功经 验 ， 我们 自主设 计 了第 二套恒 温 器（ Ｃ Ｍ ２ ） ， 本文将 主要介 绍 Ｃ Ｍ ２的设计工作 。
（ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｍｏ ｄ ｅ ｍ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｆ ｏ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ ７ ３ ０ ０ ０ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
物理学史2.6 热力学第三定律的建立和低温物理学的发展
2.6热力学第三定律的建立和低温物理学的发展热力学第三定律是物理学中又一条基本定律，它不能由任何其它物理学定律推导得出，只能看成是从实验事实作出的经验总结。
这些实验事实跟低温的获得有密切的关系。
2.6.1气体的液化与低温的获得低温的获得是与气体的液化密切相关的。
早在十八世纪末荷兰人马伦（Martin van Marum，1750—1837）第一次靠高压压缩方法将氨液化。
1823年法拉第在研究氯化物的性质时，发现玻璃管的冷端出现液滴，经过研究证明这是液态氯。
1826年他把玻璃管的冷端浸入冷却剂中，从而陆续液化了H2S，HCl，SO2，及C2N2等气体。
但氧、氮、氢等气体却毫无液化的迹象，许多科学家认为，这就是真正的“永久气体”。
接着许多人设法改进高压技术提高压力，甚至有的将压力加大到3000大气压，空气仍不能被液化。
气液转变的关键问题是临界点的发现。
法国人托尔（C.C.Tour，1777—1859）在1822年把酒精密封在装有一个石英球的枪管中，靠听觉通过辨别石英球发出的噪音发现，当加热到某一温度时，酒精将突然全部转变为气体，这时压强达到119大气压。
这使托尔成了临界点的发现者，然而当时他并不能解释。
直到1869年安德纽斯（Thomas Andrews，1813—1885）全面地研究了这一现象之后，才搞清楚气液转变的全过程。
安德纽斯是爱尔兰的化学家，贝伐斯特（Belfast）大学化学教授。
1861年他用了比前人优越得多的设备从事气液转变的实验，他选用CO2作为工作物质，作了完整的p-V图，如图2－6。
由图可以看出CO2气液转变的条件和压强、温度的依赖关系。
当温度足够高时，气体服从波意耳定律，当温度高于临界温度时，不论加多大的压力也无法使气体液化。
安德纽斯的细致测量为认识分子力开辟了道路。
“永久气体”中首先被液化的是氧。
1877年，几乎同时由两位物理学家分别用不同方法实现了氧的液化。
法国人盖勒德（Louis Paul Cailletet，1832—1913）将纯净的氧压缩到300大气压，再把盛有压缩氧气的玻璃管置于二氧化硫蒸气（-29℃）中，然后令压强突降，这时在管壁上观察到了薄雾状的液氧。
低温物理实验技术简介
小型稀释制冷机
稀释制冷机的特点：功率较大、连续制冷
牛津公司产品: 在100mK制冷功率400W最低温度5mK 自制小型机： 在100mK制冷功率50W最低温度50mK
工作原理
稀释制冷
~0.7K
流程图
~10mK
顺磁盐绝热去磁
充气 抽气 真空
核绝热去磁
激光冷却
斯特林循环微型制冷机
脉冲管制冷机系统
低温物理实验技术简介
参考书： 1, 阎守胜、陆果：《低温物理实验的原理与方法》 2, G.K.White： 《Experimental Techniques in
Low-Temperature Physics》
液氦机的发明（1908年首次将氦气液化）
稀释制冷机的发明（20世纪60年代）
低温技术推动低温物理的发展
为什麽在传输液体时杜 瓦管有时会 “出汗”？
输液管（杜瓦管）
实验杜瓦容器
高真空绝热玻璃杜瓦 (可看到液面) 带尾巴的高真空绝热金属杜瓦
实验杜瓦容器
多 层 绝 热 金 属 实 验 杜 瓦
涡 轮 分 子 泵
直接在100升液氦容器中做实验
液面计
鼓
电
膜
容
液
液
面
面
计
计
其它类型： 超导线液面计 碳电阻定点液 面计 ……
三，低温温度的控制，低温恒温器
减压液体的温度范围 (液N2:55-77K; 液He :1.2-4.2K) 小液池的作用 (节省低温液体) 稀释制冷机 (1K以下) 连续冷气流 (控制流量达到不同) 高真空绝热，防辐射屏，减少固体漏热 加热器，控温仪，温度稳定度。 插入实验杜瓦内液面之上不同深度以得到中间温度 获得暂时降温方法— 活性炭退吸附 其它
低温恒温器工作原理
低温恒温器工作原理
低温恒温器的工作原理主要包括以下几个方面：
1. 冷源：低温恒温器使用制冷剂或者压缩机等设备作为冷源，通过将制冷剂在低温部分蒸发，吸热并降低温度，然后将制冷剂在高温部分冷凝，释放热量。
2. 温度控制：低温恒温器通常使用温度控制器来监测和控制系统内的温度。
温度控制器根据设定的温度值，通过控制制冷剂的流量或者调节冷凝器的制冷面积，来实现对系统温度的稳定调节。
3. 热交换：低温恒温器中通常包含一个热交换系统，用于传导热量。
通过热交换器将制冷剂的热量传递给待测温度环境中的样品或者物体，使其保持恒定的低温。
4. 保护设备：低温恒温器通常还配备有各种保护设备，如过载保护装置、过热保护装置等，以保证系统的安全运行。
总体来说，低温恒温器通过使用制冷设备和温度控制器等组件，实现对系统温度的稳定控制，从而提供恒定的低温环境。
低温恒温器(cryostat)物理中学生百科
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低温恒温器〔cryostat〕
低温恒温器(cryostat)
利用低温液体或者气体制冷机，使样品处在恒定的或可按需要变化低温温度的空间，并能对样品进行一种或多种物理量测量的装置。
恒温器的结构应根据测量的内容而作专门的考虑，比如测量比热的量热器式恒温器要考虑将漏热尽可能减小到可忽略的量级。
而热导率测量的恒温器要考虑有一个热流的通路，能在样品上建立一个恒定的热流。
而低温获得的最方便的方法就是将装置浸泡入低温液体。
如用液氮可得77K，如是液氦可得4.2K。
将液体抽气减压，用恒压器恒定液体的蒸气压的方法可取得与该饱和蒸气相对应的温度，即可选定从沸点到三相点之间的任一温度。
也可以用抽成高真空的办法使样品空间与低温液池绝热，然后用电加热的方法，通过电子控温仪来控制样品的温度，这样可取得很宽的温度区间，同时能得到很好的温度均匀性与稳定性，对精确测量物理量是必不可少的。
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低温物理与技术 低温恒温器
式中: W为传热量(瓦)，A1 、A2分别为内外真空壁的面 积[ 厘米〕2，p为毫米汞柱，T 、T1 、T2分别为压力 计、内、外、园筒壁的温度K；= Cp/Cv。
下面举例说明恒温器漏热的估算 液氦用的恒温器
向氦槽和样品部位的固体导热有: 上部的管子, 加热器 的引线, 热电偶温度计, 下部的隔片等。 当氦槽周围装上液氮保护屏时, 同时引线也和图示那样 在浓氮部位冷却, 那么来自各部份的固体导热大概为:
式中: W c 为漏热量(瓦)，A 为固体截面积〔厘米〕，L 为长度(厘米)，k 为平均导热系数(瓦/ 厘米。度)，T 1 、 T 2 分别为高温端和低温端的绝对温度。
由于实验目的、精度、温度范围和控温方法的不同，低 温恒温器的结构也不尽相同。
5.1 无磁场低温恒温器
直接在100升 液氦容器中 做实验
贮存用杜瓦瓶内的 测量装置(4.2K)
贮存用杜瓦瓶内的 测量装置(温度可调)
带制冷机的低温恒温器
斯特林循环微型制冷机
脉冲管制冷光学 测量恒温器
1．制冷机马达盖； 2．1级和两级气缸； 3．1级冷却端； 4．2级冷却端； 5．样品台；6．样 品；7．光学窗口； 8．藏在样品内的蒸 气压温度计的测量 头；9．蒸气压温度 计用的毛细管； 10．辐射屏蔽板； 11．真空容器； 12．加热器
电阻测量装置
降低液氦消耗量的方法
高真空绝热玻璃杜瓦(可看到液面)
5.3 PPMS低温恒温器
杜瓦剖面图
PPMS INSERT
低温恒温器的设计
物理实验技术中的温度控制方法
物理实验技术中的温度控制方法在物理实验中，温度控制是非常关键的一环。
准确地控制温度可以确保实验结果的可靠性和重复性。
本文将介绍几种常见的物理实验技术中的温度控制方法，包括冷却、加热和恒温控制。
一、冷却技术冷却技术是实验室中常用的温度控制方法之一。
冷却可以通过多种方式实现，其中最常见的方法包括使用冷水循环系统和液氮。
冷水循环系统通过循环流动的冷水降低实验器材、样品或试剂的温度。
这种方法适用于需要降低温度但不需要极端低温的实验。
冷水循环系统通常由冷水槽、循环泵和水冷却装置组成。
冷水槽中的水通过循环泵被抽出，经过水冷却装置冷却后再回到冷水槽中循环往复。
这样可以不断降低温度，实现对实验物体的冷却。
液氮是一种用于实验室极低温实验的冷却剂。
液氮的沸点为-196摄氏度，可以使实验器材的温度迅速降低到极低温度。
在实验过程中，液氮通过冷凝器降低空气中的水汽含量，然后通过气化过程降低空气中的温度，最后在试剂或样品附近气化，将其冷却至低温。
二、加热技术在某些实验中，需要将实验器材、样品或试剂加热到一定温度。
加热技术是温度控制方法的另一种重要形式。
电热是最常见的加热技术之一。
电热可以通过通过电流加热导电材料的方法实现。
实验中常用的电热设备包括热水浴、电烙铁、炉子等。
这些设备通过控制电流大小和加热时间来控制加热温度。
激光加热是一种精确的加热技术。
激光通过将光能转化为热能来加热物体。
激光加热可以实现对小尺寸区域的局部加热，因此在一些精密实验中应用广泛。
激光加热的优势在于其快速、无接触、高效和可控性。
三、恒温控制技术恒温控制是物理实验中十分重要的一项技术。
恒温控制可以通过恒温器、热浴锅和恒温箱等设备来实现。
恒温器是一种用于恒温的设备，可以根据实验需要设定和控制温度。
恒温器通过传感器检测温度，然后根据设定值调节加热或冷却装置来维持恒定的温度。
热浴锅是一种常见的恒温设备，可以将试管、烧杯等实验容器放置其中以便于恒温。
热浴锅通过恒温器和加热装置来维持设定的恒温温度。
低温实验中的温度控制技术优化
低温实验中的温度控制技术优化低温实验是科学研究中常见的一种实验方法，通过降低温度可以探索物质的特性和行为。
在低温实验中，温度的控制是非常重要的，因为温度变化对实验结果的影响很大。
因此，优化温度控制技术是提高实验准确性和可靠性的关键。
本文将讨论低温实验中的温度控制技术优化。
首先，温度控制设备的选择是影响实验结果的重要因素。
在低温实验中，常见的温度控制设备包括恒温器、低温冷冻器和液氮等。
恒温器可以提供稳定的控温环境，适用于一些对温度要求不太严格的实验。
但是对于一些要求非常低温的实验，恒温器可能无法满足需求。
这时候，低温冷冻器或液氮可能是更好的选择，它们可以提供非常低的温度，满足特定实验的需求。
因此，在低温实验中，根据实验需求选择合适的温度控制设备是至关重要的。
其次，温度控制的精度也是优化温度控制技术的关键。
在低温实验中，一般要求温度控制精度能达到0.1摄氏度甚至更高。
为了实现这样的精度，可以采用多种方法。
一种常见的方法是使用PID控制算法。
PID控制算法是一种基于比例、积分和微分三个参数的反馈控制方法，通过不断调整控制器的输出来使温度稳定在设定值附近。
另一种方法是使用温度传感器，温度传感器可以实时监测实验温度，并将数据反馈给温度控制器，从而实现温度的精确控制。
此外，在一些对温度要求非常高的实验中，还可以采用超导磁浮技术，利用超导材料的磁浮特性来消除温度对实验结果的干扰，实现更高精度的温度控制。
另外，温度变化的速率也需要考虑。
在一些实验中，温度的变化速率可能对实验结果产生重要影响。
例如，在某些材料的冷却过程中，温度变化速率会影响晶体的生长速度和晶体质量。
为了控制温度变化速率，可以采用温度梯度方法。
温度梯度方法通过在实验器件上设置多个温度探头，同时增加或减少控制器的输出来调整温度的变化速率。
通过合理的控制温度梯度，可以使实验温度达到预定的变化速率，从而获得准确的实验结果。
此外，温度控制的安全性也是需要重视的。