【導讀】如何確切知曉處于如此低的溫度？精確可靠的低溫測量是一個(gè)非常奇異的領(lǐng)域，原因如下：首先，雖然物理定律仍然有效，但材料會(huì )發(fā)生重大轉變，其特征和行為也會(huì )發(fā)生根本變化。
大多數一般應用的溫度測量在相當有限的范圍內進(jìn)行，介于水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)（0 °C 至 100 °C）之間，但還有許多情況超出了這兩個(gè)溫度水平。幸運的是，市面上提供有額定溫度范圍為 -50 °C 至 +125 °C 的低成本、易使用的固態(tài)傳感器，還有一些特殊傳感器支持更廣的溫度范圍。此外，熱電偶、電阻溫度檢測器 (RTD) 和熱敏電阻可以處理更寬的溫度范圍。
例如，Vishay Components 的PTCSL03T091DT1E 熱敏電阻的額定溫度范圍為-40 °C (277 K)至+165 °C (438 K)，而TE Connectivity Measurement Specialties 的R-10318-69 T 型熱電偶 支持-200 °C (73 K) 至+350 °C (623 K) 的更寬范圍。通常，針對這些測量的傳感器不難找到，挑戰在于傳感器的實(shí)際應用。
當溫度極高，甚至達到數千度時(shí)，傳感器的選擇較為有限，通常只能在不同類(lèi)型的熱電偶或紅外傳感裝置之間進(jìn)行選擇。由于被測源處于高溫，因此傳感器需要捕獲大量能量，同時(shí)對被測源的影響最小。
但是，如何測量那些相當低的溫度，例如低至兩位數（幾十K）、個(gè)位數（1到9 K）、甚至個(gè)位數以下 (<1 K) 區間的溫度？有些研究甚至低至0.01 K，《IEEE綜覽》最近的一篇文章《量子計算：原子鐘產(chǎn)生更持久的量子位》(Quantum Computing: Atomic Clocks Makefor Longer-Lasting Qubits) 討論了100 nK以下的研究工作。（如何實(shí)現如此低的溫度是另一個(gè)引人入勝的故事?。?/div>
然而，如何確切知曉處于如此低的溫度？精確可靠的低溫測量是一個(gè)非常奇異的領(lǐng)域，原因如下：
首先，雖然物理定律仍然有效，但材料會(huì )發(fā)生重大轉變，其特征和行為也會(huì )發(fā)生根本變化。在低K區，傳感器性能、線(xiàn)性度和其他關(guān)鍵特性會(huì )有顯著(zhù)變化。我們對水變成冰或蒸汽的原理了然于胸，但對低K區的變化卻難以掌握。
其次，測量方法通常與用于達到這些溫度的方法密切相關(guān)。例如，數T磁場(chǎng)（multi-Tesla magnetic fields）常常是過(guò)冷裝置的重要部分（相關(guān)方法和原因是另一個(gè)話(huà)題），而這些磁場(chǎng)會(huì )對傳感裝置及其元件產(chǎn)生重大影響。
第三，深冷項目常常涉及極少量的質(zhì)量，某些情況下可能僅為幾個(gè)原子或分子。所以，我們面臨雙重難題：能量低且數量少的分子。顯然，無(wú)法連接傳感器，即使可以，傳感器也會(huì )嚴重影響被測物質(zhì)。在很多方面，這是量子物理學(xué)的海森堡不確定性原理的必然結果，即測量操作會(huì )影響被測對象。
然而，科學(xué)家和研究人員仍然需要進(jìn)行這種測量。他們有多種選擇，取決于溫度低到什么程度和測量對象是什么（固體、氣體狀團簇中的分子或個(gè)別分子），而且在0K附近有大量的研究和許多實(shí)際應用。相對而言，處理火箭燃料所用的液氧（90 K，-183 °C）和液氫（20 K，-253 °C）要容易一些，處理液氮（77 K，-196 °C）也是如此。相比之下，液氦溫度在4K (−269 °C) 左右——它用于將MRI機器的磁鐵冷卻到超導區間——評估難度要大得多。
溫度測量的關(guān)鍵是，務(wù)必牢記我們所謂的“溫度”實(shí)際上是衡量被測對象的能量。與幾乎所有溫度測量一樣，用戶(hù)必須首先考慮三個(gè)規格：所需的覆蓋范圍、絕對精準確度，以及精度（分辨率）。然后，用戶(hù)需要評估測量裝置在這些溫度下的影響。
有些令人驚訝的是，一些在“普通”溫度下的常用傳感器甚至可以在較寬的個(gè)位數區間內工作（圖1），其中包括RTD（使用鉑或銠鐵）、鍺，甚至經(jīng)典的碳基電阻器。然而，這些裝置的強磁場(chǎng)會(huì )引起幾K的傳感器誤差。研究現狀是，對低K傳感的需求非常大，以至于這些傳感器是許多供應商提供的標準目錄產(chǎn)品（想一想，這是相當驚人的）。
圖1：多種材料可用于測量超低K值的溫度，注意垂直刻度不是線(xiàn)性的。CLTS是一種低溫線(xiàn)性溫度傳感器，即由錳銅和鎳箔傳感網(wǎng)格組成的扁平柔性傳感器；RuO2是氧化釕。（圖片來(lái)源：ICE Oxford Ltd.）
更復雜的選擇包括在光纖中使用布里淵散射和其他復雜的光學(xué)技術(shù)。甚至“不起眼”的電容器也可以用于橋式裝置中，其物理尺寸和形狀以及電容會(huì )按已知的關(guān)系（精確建模的函數）隨溫度變化。
但這些技術(shù)不適用于測量少量分子的溫度，此類(lèi)情況需要一些非常深奧的方法。一種方案是采用具有精密梯度的強磁場(chǎng)掃描所捕獲的目標，然后觀(guān)察其分子沿該磁場(chǎng)的分布；這種分布會(huì )指示分子的能量，從而得出溫度。另一種方案是用激光推動(dòng)分子，通過(guò)激光能量與所產(chǎn)生運動(dòng)的關(guān)系得出目標能量。這些方法以及其他復雜方法不僅難以構建，而且需要對物理學(xué)的二階和三階微妙效應以及系統缺陷進(jìn)行大量校正和補償。
因此，下次您想要抱怨溫度測量場(chǎng)景遇到的困難時(shí)，就想想那些需要在低K區間（甚至低至1 K）進(jìn)行測量的人吧。那是一個(gè)詭異的世界，任何研究人員還必須詢(xún)問(wèn)并回答永恒的儀器問(wèn)題：“如何校準、確認并驗證讀數？”這幾乎是噩夢(mèng)！
關(guān)于作者
Bill Schweber 是一名電子工程師，撰寫(xiě)了三本關(guān)于電子通信系統的教科書(shū)，以及數百篇技術(shù)文章、意見(jiàn)專(zhuān)欄和產(chǎn)品特性說(shuō)明。他擔任過(guò)EE Times的多個(gè)特定主題網(wǎng)站的技術(shù)管理員，以及EDN的執行編輯和模擬技術(shù)編輯。
在A(yíng)nalog Devices, Inc.（模擬和混合信號 IC 的領(lǐng)先供應商）工作期間，Bill從事?tīng)I銷(xiāo)傳播（公共關(guān)系），對技術(shù)公關(guān)職能的兩個(gè)方面均很熟悉，即向媒體展示公司產(chǎn)品、業(yè)務(wù)事例并發(fā)布消息，同時(shí)接收此類(lèi)信息。
擔任Analog營(yíng)銷(xiāo)傳播職位之前，Bill在該公司頗受推崇的技術(shù)期刊擔任副主編，并且還在公司的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)和應用工程部門(mén)工作過(guò)。在此之前，Bill曾在Instron Corp.工作，從事材料測試機器控制的實(shí)際模擬和電源電路設計及系統集成。
他擁有電氣工程碩士學(xué)位（馬薩諸塞州立大學(xué)）和電氣工程學(xué)士學(xué)位（哥倫比亞大學(xué)），是注冊專(zhuān)業(yè)工程師，并持有高級業(yè)余無(wú)線(xiàn)電許可證。Bill還規劃、撰寫(xiě)并講授了關(guān)于各種工程主題的在線(xiàn)課程，包括MOSFET基礎知識、ADC選擇和驅動(dòng)LED。
來(lái)源：DigiKey 作者：Bill Schweber
