低温物理与技术 低温恒温器
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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
基于G-M制冷机的低温温度计全自动标定系统
基于G-M制冷机的低温温度计全自动标定系统李畏;黄永华;杨朴凡【摘要】基于两级G-M制冷机搭建了低温温度计全自动标定系统.通过PID温控仪和LabVIEW编程,实现了程序化自动控温、数据处理和报表输出一体化标定流程.提出了结合基于热阻尼的稳态控温标定和自然升温动态标定相结合的方法,不仅实现了4.2-290 K宽广温区内±0.05 K以内的标定精度水平,而且有效降低了等温载体控温点的标定时长,使标定效率比现有技术提高了2-4倍.%An automatic calibration system for low temperature thermometers was built based on a two stage G-M cryocooler.The integrated calibration process of automatic temperature control,data processing and report export is realized through a PID temperature controller and LabVIEW programming.The combination of steady-state calibration and dynamic calibration method was proposed,by which not only the ± 0.05 K calibration accuracy during large temperature range of 4.2-290 K was achieved,but also the calibration cycle of each temperature control point of isothermal block was significantly shortened,thus the calibration efficiency is 2-4times higher than the existing system.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】6页(P11-16)【关键词】低温温度计标定;全自动标定;G-M制冷机;标定精度【作者】李畏;黄永华;杨朴凡【作者单位】上海交通大学制冷与低温工程研究所上海 200240;上海交通大学制冷与低温工程研究所上海 200240;上海市低温技术与测试应用服务平台上海200240;上海交通大学制冷与低温工程研究所上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TB6631 引言在大型低温工程系统或者深低温实验研究项目中，温度测量始终是最基本和最重要的参数之一。
超流氦低温恒温器冷质量准直调节及低温变形分析
Vol 54,No. 10Oct 2020第54卷第10期2020年10月原子能科学技术AtomicEnergyScienceandTechnology超流氮低温恒温器冷质量准直调节及低温变形分析韩瑞雄1!,邹正平S 朱洪岩2常正则2,葛锐2,李少鹏2北京航空航天大学 能源与动力工程学院，北京100191$2.中国科学院高能物理研究所，北京100049)摘要：为满足超导射频腔及超导磁体低温下的加速器准直精度要求，对超流氦低温恒温器冷质量的准直 调节方案进行分析。
通过对冷质量的低温位移进行有限元模拟计算，获得其在2 K 超流氦温区的位移变形量，利用拉伸丝型位移监测仪(WPM)在线测量数据来验证模拟分析方法°结果表明，模拟值与测 量值具有较好的一致性，为底部支撑型式低温恒温器的准直调节方案设计提供了重要的数据基础°关键词：超流氦;低温恒温器;低温位移；拉伸丝型位移监测仪；准直中图分类号:TL503. 2文献标志码:A 文章编号：10006931(2020)10197906doi ： 10. 7538/yzk. 2019. youxian. 0710Alignment and Cryogenic Deformation Analysis of Cold Massin Superfluid Helium CryomoduleHAN Ruixiong 1% , ZOU Zhengping 1 , ZHU Hongyan % ,CHANG Zhengze % , GE Rui 2 , LI Shaopeng %(1. School of Energy and Poxver Engineering , Beihang University , Beijing 100191, China $2. Institute of High Energy Physics , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049 , China )Abstract : To meet the alignment requirement of superconducting radio frequency (SRF )cavityandsuperconducting magnetatcryogenictemperatureintheacceleratorsystem !thedesignofadjustmentandalignmentofthecoldmassinsuperfluidheliumcryomoduleshouldbeanalyzed Thecryogenicdeformationofthecold massatthe2 K superfluidhelium temperature level wassimulated and obtained bythefiniteelement method ! meanwhilethesimulationanalysis method waschecked bythecryogenicdeformationdataofthecold massonline measured by the wireofposition monitor (WPM ) The resultsshowthatthesimulationresultandmeasurementresulthaveagoodconsistency ! anditprovidesanimportantdatafoundationforthealignmentdesigninthetypeofbo t omsupportedcryomodule收稿日期20190918；修回日期：2020-03-03基金项目：中国科学院战略性先导科技专项资助项目(XDA030213)作者简介:韩瑞雄(1983-),男，内蒙古鄂尔多斯人，高级工程师，博士研究生，流体机械及工程专业网络出版时间：2020-04-20$ 网络出版地址：http ：〃kns. cnki. net/kcms/detail/11. 2044. TL. 20200417. 1442. 006. html1980原子能科学技术第54卷Key words:superfluid helium$cryomodule$cryogenic deformation$wire of position monitor$alignment加速器驱动的次临界系统(ADS)的注入器I由中国科学院高能物理研究所负责研制，其中的TCM低温恒温器工作在2K超流氮温区，内部包括2台325MHz Spoke型(= 0.12)超导射频腔'台超导螺线管磁体等(1勺o TCM低温恒温器是国际上首台带束流运行的底部支撑型式超导腔低温恒温器。
物态变化中的物理学史
❖ 化学家安德纽斯1861年 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,由图可以
看出CO2气液转变的条 件和压强、温度的依赖 关系。
❖ 1877年，几乎同时由两位物理学家法国人盖勒德和瑞士人
毕克特分别用不同方法实现了氧的液化。
❖ 1883年，波兰物理学家乌罗布列夫斯基和化学家奥耳舍夫
西蒙在1927—1937年对热力学第三定律作了 改进和推广，修正后称为热力学第三定律的能 斯特—西蒙表述：当温度趋近绝对零度时，凝 聚系统(固体和液体)的任何可逆等温过程，熵 的变化趋近于零。
lim(S
T 0
)T
0
（三）低温物理学的发展
自从1908年莱顿实验室实现了氦的液化以来，低温物理 学得到了迅速的发展。昂纳斯及其合作者对极低温下的各 种物理现象进行了广泛的研究，测量了10K以下的电阻变 化，发现金、银、铜等金属的电阻会减小到一个极值。
1975年和1976年分别对IPTS-68作了修订和补充，把温 度范围的下限由13.8lK扩大到0.5K。但还是出现不足之处， 主要是在实验中不断发现IPTS-68在某些温区与国际单位 制定义的热力学温度偏差甚大。
1988年国际度量街委员会推荐，第十八届国际计量大会 及第77届国际计量委员会作出决议，从1990年1月1日起 开始在全世界范围内采用重新修订的国际温标，这一次取 名为1990年国际温标，代号为ITS-90，取消了“实用” 二字，因为随着科学技术水平的提高，这一温标已经相当 接近于热力学温标。和IPTS-68相比较，100℃时偏低 0.026℃，即标准状态下水的沸点已不再是100℃，而是 99.974℃。
伽利略温度计的重大缺点，就是大气压会对水柱 高度产生影响，而且温度计插入水盆里用起来很 不方便。
dhjf-2005低温恒温
dhjf-2005低温恒温
“DHJF-2005”是指一种低温恒温设备，通常用于实验室或工业
环境中。
这种设备的主要功能是在恒定的低温下保持样品或实验的
温度稳定。
一般来说，它可以用于冷冻、冷藏、温度调节等实验或
工业应用。
从技术角度来看，DHJF-2005低温恒温设备可能采用压缩机循
环制冷技术，具有精确的温控系统，能够在设定的温度范围内保持
稳定的温度。
它可能还配备有温度显示屏、温度调节器、温度传感
器等设备，以确保温度控制的精准性。
从使用角度来看，DHJF-2005低温恒温设备可能适用于生物制药、食品加工、科研实验室等领域。
在生物制药领域，它可以用于
保存生物样本、药品、疫苗等需要低温保存的物品；在食品加工领域，它可以用于冷冻或冷藏食品原料或成品；在科研实验室中，它
可以用于各种需要低温环境的科学实验。
从维护角度来看，DHJF-2005低温恒温设备可能需要定期清洁、维护压缩机、检查温度传感器等保养工作，以确保设备的正常运行
和温度控制的准确性。
总的来说，DHJF-2005低温恒温设备是一种在实验室或工业领域中广泛应用的设备，具有精确的温度控制和稳定的性能，能够满足不同领域的低温恒温需求。
低温恒温器调研报告
低温恒温器调研报告低温恒温器调研报告一、引言低温恒温器是一种用于控制温度在低于室温的恒温设备。
在科研、医药、化工、生物工程等领域都有广泛的应用。
本报告对市场上常见的低温恒温器进行调研，包括其原理、性能特点、应用场景等，并对市场发展趋势进行分析。
二、低温恒温器原理低温恒温器主要通过制冷系统（如制冷剂循环或压缩机）来降低温度，并通过加热系统来保持恒温。
常见的制冷方法包括机械压缩制冷和热电制冷。
机械压缩制冷一般采用制冷剂回路，通过压缩机将制冷剂压缩成高压高温气体，然后通过冷凝器、膨胀阀和蒸发器进行热交换，从而实现降温。
热电制冷则利用热电效应，通过通过热电堆制冷，该方法结构简单，无噪音、无震动、可靠性高。
三、低温恒温器性能特点1. 温度控制精度高：低温恒温器能够实现较高的温度控制精度，保证实验或生产过程的稳定性。
2. 宽温度范围：低温恒温器通常能够在-10℃至-80℃范围内进行温度控制，满足不同领域的需求。
3. 操作简便：低温恒温器采用先进的操作界面和控制系统，方便用户进行设置和调整。
4. 安全可靠：低温恒温器具备过温保护、过流保护、漏电保护等安全机制，确保设备使用过程中的安全可靠性。
5. 节能环保：低温恒温器采用高效的制冷系统，能够实现能源的节约和环保效果。
四、低温恒温器应用场景1. 科研实验室：在化学、物理、生物等科研领域中，常常需要进行低温实验，如低温保存和制备样品，低温反应等，低温恒温器能满足这些实验的温度控制要求。
2. 医药生产：在药物研发和制造过程中，常常需要以低温条件下进行储存、分离、萃取等操作，低温恒温器能够提供稳定的低温环境，保证药品的质量。
3. 化工生产：在某些化工过程中，需要在低温环境下进行反应或分离，低温恒温器能够提供稳定的低温条件，确保化工过程的稳定性和效果。
4. 电子行业：在电子元器件生产和测试过程中，常常需要使用低温环境，低温恒温器能够提供所需的低温条件。
五、市场发展趋势1. 技术升级：随着科技的进步，低温恒温器的控制精度和性能将进一步提升。
低温物理实验技术
91
对 流 热 交 换 器
压机
节流阀
阀门 杜瓦容器
图 4-0-1
林德机
种液化气的沸点温度 表 4-0-1 气体种类 O2 N2 H2 Ne 27.102
4
He
3
He
沸点温度 K 90.188 77.344 20.27
4.222
3.197
2. 利用制冷机循环来获得低温 利用液氮、液氦来使物体降温，要使用较为复杂的恒温器，同时又要消耗较多的液氮 和液氦。我国的氦资源较少，教学实验或一般测试，由于代价过高，难于广泛使用。故采 用封闭循环的小型制冷机来获取低温。 实验用的小型制冷机有 G-M 制冷机、 ST 制冷机、 SV 制冷机、VM 制冷机等。基本工作原理都是将高压氦气经绝热放气过程而实现降温，仅结构 和循环过程有所不同。它们的工作温度范围一般为 300K～10K，或再稍低一些。4.2K 以下 的低温可以利用减压降温使液氦进一步降温，或用稀释制冷机和绝热去磁法等。目前获得 的最低温度是mK 级，而能进行实验测试的低温是 2mK。
B C H1 H2 R
S
T
于低温液体的所需要的实验温度。 加热器 H 2 的作用 图 4-0-3 高真空绝热恒温器 是用它控制辐射屏的温度与样品温度一致，以减小 对样品的辐射漏热。高真空绝热恒温器的优点是： • 漏热小，因此可以精确地计量对样品升温所提供的热量；‚ 样品内温度均匀；ƒ 周围 环境变化对样品无影响，恒温时温度稳定；„ 样品升温时，低温液体消耗很少。 (3) 漏热式恒温器(见实验 4-1-2) 2. 低温温度测量 温度测量是低温物理实验中首要和基本的测量。各种温度测量方法有不同的原理、测 量范围、测量精度。应根据具体测试要求来选择。下面介绍几种常用的测温方法。 (1) 蒸汽压温度计 蒸汽压温度计是利用液态气体的饱和蒸汽压与温度的对应关系而制成的。将感温泡放 在待测点处，用压力传送管接到压力计上读出蒸汽压，查表即得温度。此温度计测量的温 区较窄，但是感温泡体积小，且不需进行修正，故仍经常使用。 (2) 热电偶温度计 热电偶温度计的基本原理是物理中的塞贝克效应。两根不同金属的细线如图 4-0-4 那 样连接起来，若两接点的温度 T1 ¹ T2 ，在回路中就会产生温差电势。温差电势的大小取决于
对 流 热 交 换 器
压机
节流阀
阀门 杜瓦容器
图 4-0-1
林德机
种液化气的沸点温度 表 4-0-1 气体种类 O2 N2 H2 Ne 27.102
4
He
3
He
沸点温度 K 90.188 77.344 20.27
4.222
3.197
2. 利用制冷机循环来获得低温 利用液氮、液氦来使物体降温，要使用较为复杂的恒温器，同时又要消耗较多的液氮 和液氦。我国的氦资源较少，教学实验或一般测试，由于代价过高，难于广泛使用。故采 用封闭循环的小型制冷机来获取低温。 实验用的小型制冷机有 G-M 制冷机、 ST 制冷机、 SV 制冷机、VM 制冷机等。基本工作原理都是将高压氦气经绝热放气过程而实现降温，仅结构 和循环过程有所不同。它们的工作温度范围一般为 300K～10K，或再稍低一些。4.2K 以下 的低温可以利用减压降温使液氦进一步降温，或用稀释制冷机和绝热去磁法等。目前获得 的最低温度是mK 级，而能进行实验测试的低温是 2mK。
B C H1 H2 R
S
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于低温液体的所需要的实验温度。 加热器 H 2 的作用 图 4-0-3 高真空绝热恒温器 是用它控制辐射屏的温度与样品温度一致，以减小 对样品的辐射漏热。高真空绝热恒温器的优点是： • 漏热小，因此可以精确地计量对样品升温所提供的热量；‚ 样品内温度均匀；ƒ 周围 环境变化对样品无影响，恒温时温度稳定；„ 样品升温时，低温液体消耗很少。 (3) 漏热式恒温器(见实验 4-1-2) 2. 低温温度测量 温度测量是低温物理实验中首要和基本的测量。各种温度测量方法有不同的原理、测 量范围、测量精度。应根据具体测试要求来选择。下面介绍几种常用的测温方法。 (1) 蒸汽压温度计 蒸汽压温度计是利用液态气体的饱和蒸汽压与温度的对应关系而制成的。将感温泡放 在待测点处，用压力传送管接到压力计上读出蒸汽压，查表即得温度。此温度计测量的温 区较窄，但是感温泡体积小，且不需进行修正，故仍经常使用。 (2) 热电偶温度计 热电偶温度计的基本原理是物理中的塞贝克效应。两根不同金属的细线如图 4-0-4 那 样连接起来，若两接点的温度 T1 ¹ T2 ，在回路中就会产生温差电势。温差电势的大小取决于
大科学工程建设低温工程技术发展现状及前沿科学技术问题
大科学工程建设低温工程技术发展现状及前沿科学技术问题张玙;王国平;胡忠军;王美芬;李少鹏【摘要】针对大科学工程中低温系统的应用开展研究,重点讨论了国内外典型的大科学工程中低温系统的应用情况,分析了各自的特点,总结提炼了低温工程技术发展相关的关键科学技术前沿问题,为大型低温系统的科学技术研究和应用提出了发展方向.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】6页(P17-22)【关键词】大科学工程;大型低温系统;制冷循环流程;冷压缩机【作者】张玙;王国平;胡忠军;王美芬;李少鹏【作者单位】中国科学院高能物理研究所北京100049;东莞中子科学中心东莞523803;中国科学院高能物理研究所北京100049;东莞中子科学中心东莞523803;中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室北京 100190;中国科学院高能物理研究所北京100049;中国科学院高能物理研究所北京100049【正文语种】中文【中图分类】TB65;TB66大科学工程是由国家统筹规划，财政拨款建设，用于基础科学研究的大型科研装置、设施或系统。
大科学工程集合基础研究、应用研究、技术开发等任务于一体，涉及多学科、多领域的科学问题，并且需要聚集大量的科技资源和科学研究力量的复杂工程。
大科学工程的设计、建设及应用，是推动国家科学事业发展的重要手段，也是国家科技发展水平和国家综合国力的体现。
目前，国际上在建和已建成运行的大科学工程中，以高能粒子加速器为代表的工程设施占有重要的一席之地。
国际上一些主要的高能粒子加速器中，超导磁体和超导射频腔都被广泛应用于引导或加速粒子束流。
维持这些超导设备的正常运行通常需要应用到低温系统。
据报道，当前国际合作大科学工程装置中50%以上、美国中长期大科学工程中80%以上、中国大科学装置中60%以上都使用大型低温制冷设备[1]。
为了应对随着大科学工程以及日益增多的大型低温制冷设备的需求，国外的大型低温制冷设备相关的技术得到快速发展，并且形成了专门生产大型低温制冷设备的跨国公司，如瑞士的林德公司、法国法液空公司等。
化学反应中的低温技术教程
• 起始原料：金属钠、液氨、Fe(NO3)3•9H2O （催化剂） • 反应式：2Na + NH3(l) = 2NaNH2 + H2↑
低温下稀有气体化合物的合成
• 示例-氧化氙(XeO3)的制备 XeF6 + 3H2O = XeO3 + 6HF （水解反应） • 反应过程：XeF6的水解反应极为剧烈，易 引起爆炸。为了减慢和便于控制反应速度， 可先用液氮冷却氟化氙，然后加入水，这 时便形成了凝固状态，逐渐加热使反应缓 慢进行，直至加热至室温。水解完毕后， 小心地蒸发掉HF和过量的水，便可得到潮 解状的白色XeO3固体。
制冷分类
• ������ • ������ • ������ 普通冷冻或普冷：T → -100°C 深度冷冻或深冷：T → -100°C-4.2 K 极冷：T → <4.2 K
低温工程
• 获得低温的物理方法：������ 等熵膨胀（等熵冷却） 压缩气体绝热节流（等焓冷却） 相变制冷（液体气化，固体融化，固体升华，液 体抽气） 辐射制冷 涡流制冷 热电制冷 吸收制冷，吸附制冷。
恒温冷浴制法
• 除了冰水浴外，其它泥浴（相变制冷浴） 的制备都是在通风橱里慢慢地加液氮到杜 瓦瓶里，杜瓦瓶内预先装有调制泥浴的某 种液体的容器并搅拌，当泥浴液相成一种 稠的牛奶状时，就表明已成了液固平衡物 了。 • 注意：不要加过量的液氮。
低温恒温器
• 低温恒温器是能够将一个低温状态保持一定时间 的装置。 • 液体低温浴恒温器原理：其制冷通过一个铜棒来 进行的，铜棒作为热导体，其一端同冷源液氮接 触，可借助于铜棒浸入液氮的深度来调节温度， 并使冷浴温度比要求的温度低5°C左右。另外有 一个控制加热的开关，经冷热调节可使温度保持 在恒定温度的±0.1 °C • 控温：<-70°C； 精度：±0.1°C
低温下稀有气体化合物的合成
• 示例-氧化氙(XeO3)的制备 XeF6 + 3H2O = XeO3 + 6HF （水解反应） • 反应过程：XeF6的水解反应极为剧烈，易 引起爆炸。为了减慢和便于控制反应速度， 可先用液氮冷却氟化氙，然后加入水，这 时便形成了凝固状态，逐渐加热使反应缓 慢进行，直至加热至室温。水解完毕后， 小心地蒸发掉HF和过量的水，便可得到潮 解状的白色XeO3固体。
制冷分类
• ������ • ������ • ������ 普通冷冻或普冷：T → -100°C 深度冷冻或深冷：T → -100°C-4.2 K 极冷：T → <4.2 K
低温工程
• 获得低温的物理方法：������ 等熵膨胀（等熵冷却） 压缩气体绝热节流（等焓冷却） 相变制冷（液体气化，固体融化，固体升华，液 体抽气） 辐射制冷 涡流制冷 热电制冷 吸收制冷，吸附制冷。
恒温冷浴制法
• 除了冰水浴外，其它泥浴（相变制冷浴） 的制备都是在通风橱里慢慢地加液氮到杜 瓦瓶里，杜瓦瓶内预先装有调制泥浴的某 种液体的容器并搅拌，当泥浴液相成一种 稠的牛奶状时，就表明已成了液固平衡物 了。 • 注意：不要加过量的液氮。
低温恒温器
• 低温恒温器是能够将一个低温状态保持一定时间 的装置。 • 液体低温浴恒温器原理：其制冷通过一个铜棒来 进行的，铜棒作为热导体，其一端同冷源液氮接 触，可借助于铜棒浸入液氮的深度来调节温度， 并使冷浴温度比要求的温度低5°C左右。另外有 一个控制加热的开关，经冷热调节可使温度保持 在恒定温度的±0.1 °C • 控温：<-70°C； 精度：±0.1°C
物理实验技术中的低温物性测量技巧与方法
物理实验技术中的低温物性测量技巧与方法低温物性测量技巧与方法在物理实验技术中，低温物性测量是一项非常重要的工作。
低温下，物质的性质会发生明显变化，例如超导性、磁性和导电性等。
因此，了解低温下物质的物性非常有助于研究材料的性质和应用。
本文将分享一些低温物性测量的技巧与方法。
一、低温设备与制冷介质首先，创建一个低温环境是必要的。
传统上，液氮是最常用的低温制冷介质。
液氮的沸点约为77K，可以提供足够低的温度。
此外，液氦也是一种常用的低温制冷介质，其沸点约为4K。
对于更低温度的实验，还可以使用其他冷却剂，如超冷制冷机或制冷液氦-3。
其次，低温设备起到重要的作用。
常见的低温设备包括低温冷头、低温恒温器和低温容器。
低温冷头能够将液体制冷介质传导至被测物体，实现低温环境。
低温恒温器则提供恒定的低温环境，可用于长时间的实验。
低温容器用于储存液氮或液氦，以便随时使用。
二、电学测量技术电学测量是低温物性测量中常用的技术之一。
通过测量电阻、电导率和电磁特性等参数，可以研究材料的电性质。
在低温环境下，使用四探针测量方法可以有效地消除接触电阻的影响。
同时，还可以利用霍尔效应测量材料的磁性质。
要注意的是，在低温下，电缆和连接器可能存在超导效应或者冷焊现象，这可能会引起测量误差。
因此，正确选择和使用电缆和连接器非常重要。
此外，由于液氮具有极低的绝缘性能，需要采取措施保护实验装置免受电击危险。
三、热学测量技术除了电学测量，热学测量也是低温物性研究的重要手段。
研究材料的导热性、比热容和热导率等参数，可以了解其热性质。
传统的热测量技术包括热电偶、热电阻和热容器。
在低温下，热传导会受到来自热辐射的影响。
由于热辐射对于温度计的测量精度有限，可能会引入误差。
因此，在低温测量中，需要进行仔细的辐射校准和误差修正。
四、磁学测量技术磁学测量是研究低温物性的重要手段之一。
通过测量材料在低温下的磁化曲线和磁化率，可以了解其磁性质。
常见的磁学测量技术包括超导量子干涉仪、霍珀磁强计和振动样品磁强计。
超导磁体低温恒温器冷屏设计与测试
thermal shield can be fast cooled to 80K by forced flow of liquid nitrogen, and the thermosyphon
effect formed in liquid nitrogen pipes makes the thermal shield operate steady in temperature range
超导 磁 体 低 温 恒 温 器 的 简 化 结 构 如 图 1 所 示。
目标温度,从而影响增加超导磁体的运行风险。 为了
超导磁体冷屏为一个中空圆柱体,位于超导磁体与杜
论证冷屏降温至目标温度的可行性,需要评估制冷量
瓦之间,通过支撑结构固定在外杜瓦上。 为了进一步
与冷屏热负荷之 间 的 关 系。 同 时 需 要 论 证 冷 屏 上 冷
steady by the automatic circulation of cooling medium during the operation of cryostat.
收稿日期:2020-12-07;修订日期:2021-02-03
基金项目:国家自然科学基金青年基金( NO. 52007183) 。
4
out
- T )
4
in
(2)
l = 3. 45 × 10 - 3 ·T / P
(5)
式中:l 为气体 分 子 的 平 均 自 由 程,cm;T 为 气 体
温度,此处取 层 间 温 度 最 高 温 度 300 K 与 最 低 温 度
75 K 的平均值 188 K;P 为层间绝对 压 强,10 - 4 Pa;计
( 1 Institute of Plasma Physics, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031 , China)
《低温测量技术》课件
01
恒温器是低温测量技术中的核心设备，用于产生和 维持低温环境。
02
常见的低温恒温器有液氮、液氦和稀释制冷机等。
03
恒温器的性能直接影响低温测量结果的准确性和稳 定性。
低温测量仪器的种类与特点
01
低温温度计
用于测量低温环境下物体温度的 温度计，有电阻温度计、热电偶 温度计等。
低温压力计
02
03
低温热导率计
VS
详细描述
低温测量技术在化学研究中具有广泛的应 用价值。通过在低温下测量化学反应的动 力学参数和机理，可以深入了解反应的本 质和规律，为新材料的合成和性质研究提 供重要的实验依据。此外，低温测量技术 还可以用于研究气体分子的吸附和扩散行 为，以及低温物态下的光谱和电学性质等 。
低温测量技术在生物学研究中的应用
低温测量技术面临的挑战与机遇
低温测量技术面临的挑战主要包括温 度范围、测量精度和稳定性等方面的 问题，需要不断探索新的技术手段和 解决方案。
随着科技的不断进步，低温测量技术 在科学研究、能源、环保等领域的应 用越来越广泛，为低温测量技术的发 展提供了广阔的市场空间和机遇。
低温测量技术的未来展望
未来低温测量技术将更加注重智能化、自动化和微型化的发展， 提高测温精度和稳定性，降低能耗和成本。
算等高新技术领域也具有重要应用价值。
02
低温测量技术的基本原理
低温测量技术的物理基础
低温测量技术的物理基础主要包括热力学、统计物理 和量子力学等。这些理论为低温测量技术的发展提供
了重要的理论支持。
量子力学和统计物理在低温测量技术中的应用，使得 我们可以更好地理解物质的微观结构和宏观性质，从
而更好地设计和优化低温测量系统。
物理实验技术中的凝聚态物理实验方法
物理实验技术中的凝聚态物理实验方法在物理学的发展历程中，凝聚态物理一直占据着重要的地位。
凝聚态物理实验是研究固体和液体的性质、结构和相互作用的重要手段。
本文将介绍凝聚态物理实验中常用的一些方法和技术。
第一种方法是X射线衍射。
X射线是一种具有较短波长的电磁波，能够穿透许多物质并与物质内部的原子相互作用。
实验中，通过将X射线照射到样品上，并将衍射的X射线通过探测器收集，可以得到样品的衍射图样。
通过分析衍射图样，可以获得样品的晶格结构、晶格常数以及原子的位置等信息。
X射线衍射技术在材料科学和固体物理的研究中广泛应用，例如用于分析晶体结构、探测相变等。
第二种方法是扫描隧道显微镜（STM）。
STM是一种通过电子的隧穿效应来观察表面的原子结构的仪器。
在STM中，一个非导电的探针被放置在与被测表面非常近的位置，通过测量探针与样品之间的电流变化，可以获得样品表面原子的分布和排列。
STM具有非常高的分辨率，可以达到纳米级别。
利用STM，科学家们可以直接观察到各种晶格缺陷和表面反应等现象，为凝聚态物理提供了重要的实验手段。
第三种方法是拉曼光谱。
拉曼光谱是一种用来研究材料内部分子振动的技术。
当光线通过样品时，与样品内的分子相互作用会导致光的频率发生微小的变化，这种变化被称为拉曼散射。
通过测量拉曼散射光的频率和强度，可以得到样品中分子振动模式的信息。
拉曼光谱具有非常高的分辨率和灵敏度，广泛应用于固体物理、材料科学、生物医学等领域。
第四种方法是核磁共振（NMR）。
NMR是一种通过核自旋之间的相互作用来研究物质性质的技术。
在NMR实验中，需要将样品置于强磁场中，然后用射频脉冲激发样品的核自旋，通过检测样品中的核自旋的回复过程来获得样品的信息。
通过NMR技术，可以获得样品的结构、动力学、化学位移等信息，广泛应用于化学、材料科学、生物医学等领域。
第五种方法是低温实验技术。
低温实验技术主要用于研究物质在极低温下的性质和行为。
常用的低温实验技术包括低温恒温器、低温制冷机、超导磁体等。
物理学中的低温物理学研究
物理学中的低温物理学研究低温物理学是研究极低温下物质的性质、性能和相变规律的学科。
低温物理学中研究的温度范围一般在液氮温度以下（-196°C），液氦温度以下（-269°C）、甚至更低。
在这些极低温度下，物质的性质有很大的变化，许多常见现象的背后都隐藏着低温现象的本质。
一、谈谈低温物理学的发展历程低温物理学的发展历程可以追溯到19世纪。
当时，研究者开始研究气体的液化、冷却和固化，以及随着温度降低，物质性质的变化情况。
1898年，荷兰的Heike Kamerlingh Onnes教授通过将氢气压缩降温，成功制得液态氢，并且发现液态氢具有超导性质。
这一发现被认为是低温物理学史上的重大事件。
20世纪初，美国的P.W. Bridgman教授开始研究固体的变形和力学性质，并且通过降温气体制得了更低的温度，并研究了固体的物性随温度变化的规律。
20世纪50年代以来，随着技术的发展和理论的进步，低温物理学得到了快速发展。
二、低温物理学研究的物质及其特性低温物理学中主要研究液态氢、液态氦、超导材料、低温磁性材料等具有特殊性质的物质。
其中，超导材料是低温物理学中的重要研究领域之一。
超导材料在低温下具有无电阻和磁场排斥效应，具有广泛的应用价值。
液态氮的沸点为-196°C，是低温物理学中一个常用的制冷剂。
液态氦的沸点为-269°C，是目前人类所能制得的最低温度。
低温下的物质有很多奇特的性质。
例如，液态氦在低温下可以沿着容器内的任意表面流动；超低温下的物质常常呈现出超流动现象等等。
三、超导现象及其应用超导现象是低温物理学的重要研究领域，它的研究和应用对现代科学技术的发展具有重要意义。
超导现象的本质是在超导体材料中，电流在某一温度以下可以完全无阻力地流动。
现代物理学对超导现象的解释是基于库伦相互作用理论。
超导现象具有广泛的应用。
首先，超导材料可以作为电源和传感器。
其次，作为传输电力的线路，超导线路有更高的传输效率和更小的能量损耗。
热力学的发展
（1） 1765-1782年瓦特两次改善蒸汽机旳 设计，但是效率仍很低。
（2）卡诺父子旳研究；1824年萨迪.卡诺 刊登了《有关火旳动力及适于发展这一动 力旳机器旳思索》，提出了热机理论中有 主要地位旳卡诺定理。
卡诺定理：
热机必须工作在两个热源之间，热机旳效率仅 仅决定于两个热源旳温度差，而与工作物质无 关，在两个固定热源之间工作旳全部热机，以 可逆机旳效率最高。
*解释气体分子速度大而扩散速度小旳现象。
第四节、统计物理学旳创建
一、麦克斯韦速率分布
麦克斯韦（1831-1879）发觉气体分子速度分布 律对动理论和统计力学旳发展具有里程碑旳意义。
他在1859年开始进行研究，当初28岁，已经是国 王学院教授。受克劳修斯论文旳启示，他以为能够 用概率理论对动理论进行全方面旳论证。
二、确立能量转化与守恒定律旳三位科学家
1.德国旳迈尔(1814-1878)，他是从哲学思维 方面得到能量守恒概念旳。
1840年，迈尔是一位随船医生，在一次驶往印 度尼西亚旳航行中，给生病旳船员做手术时，发觉 血旳颜色比温带地域旳新鲜红亮，这引起了迈尔旳 沉思。他根据拉瓦锡旳理论，他以为，动物旳热是 在燃烧过程中产生旳，食物中具有旳化学能，可转 化为热能，在热带情况下，机体中燃烧过程减慢， 因而留下了较多旳氧。迈尔还以为，人是一种热机 关，体力和体温都来自于食物中所含旳化学能。迈 尔旳结论是：“所以力（能量）是不灭旳，而是可 转化旳，不可称量旳客体”。
迈尔在1841年、1842年撰文刊登了他旳 观点，在1845年旳论文中，更明确写道： “无不能生有，有不能变无。”
“在死旳或活旳自然界中，这个力（能）永 远处于循环和转化之中。”
他不但 是历史上第一种提出能量守恒定
（2）卡诺父子旳研究；1824年萨迪.卡诺 刊登了《有关火旳动力及适于发展这一动 力旳机器旳思索》，提出了热机理论中有 主要地位旳卡诺定理。
卡诺定理：
热机必须工作在两个热源之间，热机旳效率仅 仅决定于两个热源旳温度差，而与工作物质无 关，在两个固定热源之间工作旳全部热机，以 可逆机旳效率最高。
*解释气体分子速度大而扩散速度小旳现象。
第四节、统计物理学旳创建
一、麦克斯韦速率分布
麦克斯韦（1831-1879）发觉气体分子速度分布 律对动理论和统计力学旳发展具有里程碑旳意义。
他在1859年开始进行研究，当初28岁，已经是国 王学院教授。受克劳修斯论文旳启示，他以为能够 用概率理论对动理论进行全方面旳论证。
二、确立能量转化与守恒定律旳三位科学家
1.德国旳迈尔(1814-1878)，他是从哲学思维 方面得到能量守恒概念旳。
1840年，迈尔是一位随船医生，在一次驶往印 度尼西亚旳航行中，给生病旳船员做手术时，发觉 血旳颜色比温带地域旳新鲜红亮，这引起了迈尔旳 沉思。他根据拉瓦锡旳理论，他以为，动物旳热是 在燃烧过程中产生旳，食物中具有旳化学能，可转 化为热能，在热带情况下，机体中燃烧过程减慢， 因而留下了较多旳氧。迈尔还以为，人是一种热机 关，体力和体温都来自于食物中所含旳化学能。迈 尔旳结论是：“所以力（能量）是不灭旳，而是可 转化旳，不可称量旳客体”。
迈尔在1841年、1842年撰文刊登了他旳 观点，在1845年旳论文中，更明确写道： “无不能生有，有不能变无。”
“在死旳或活旳自然界中，这个力（能）永 远处于循环和转化之中。”
他不但 是历史上第一种提出能量守恒定
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强磁场中的低温恒温器
插入电磁铁间隙内的玻璃杜瓦瓶
带尾巴的高真空绝热金属杜 瓦
试样绝热时所使用的金属杜瓦瓶
a．支撑板；b．杜瓦； C．交换气罐；d．辐 射屏；e．液氦； f．显微镜；g．钟摆； h．振动隔离；i．超 高真空室
Eigler贮液式低温恒温器
热导率测量装置
电阻测量装置
热导率测量装置
在图中的恒温器中, 如果仅考虑真空度变化引起的漏热 (残余气体分子传热)一与蒸发量的关系(如表1 所示), 当 真空度降低, 漏热激剧增大, 灌注液氦后, 它的真空度为 10-7托, 漏热为10-4瓦。但是结构复杂的恒温器在极端 条件下使用时, 要保证不漏气是相当困难的, 特别是低 温端的各个密封口, 即电气引出线, 光学窗或者放射性 窗口的密封都是恒温器制造中的最大难点之一。
辐射漏热
由斯蒂芬一玻尔兹曼公式(Stofan一Boltzmann) : W =eAT4 式中: e为在温度T时的全发射率，A为发射面积，为 常数, 等于5.67x10-12 瓦/ [ 厘米]2〔度〕4而得到近似公 式为:
式中: 注角1 、2 分别表 示内容器和外容器相应 量。
如果用上式计算对于抛光过的铜辐射屏, 从液氮保护屏向 氦槽和样品漏进的辐射热约为0.009瓦, 从管子上端辐射 热为0.03瓦, 从两个直径为中30 mm 的光学窗辐射漏热 约为0.186 瓦。假如绝热屏温度是100 K , 辐射漏热就增 加近2 倍, 如果是120K , 就增加近5 倍。
此例中T2 、T1 分别为77K 和4.2K，三根不锈钢管( k = 0.045 瓦/ 厘米·度) 漏热为0.053瓦, 尼龙隔片 ( k=0.014 瓦/ 厘米, 度) 漏热为0.165 瓦; 三根加热引线 ( k=9.8瓦/ 厘米·度, 铜线) 漏热为0.026 瓦, 热电偶l根 ( k = 3.5 瓦/ 厘米·度, 金(钻) ) 漏热为0.003 瓦。
用MPMS(SQUID)XL系统在2K和-100Oe 时测量的Py/YMO/Pt样品磁化强度与外 加偏压的变化关系。箭头部分表明了样 品的磁矩发生了非常明显的变化，说明 外加电场可以强烈影响样品交换磁异向 的变化。
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
设计低温恒温器时，是根据具体要求来选择合理的 结构、传感元件和合适的控温方法。在设计低温恒 温器时，首先要明确该恒温器的温度范围；其次是 绝热条件。
式中为引线两侧温度分别为T1，T2 时的平均热 导率，w／(m·K)；d、L分别为引线的直径和长 度，m、m；n为引线总数。
恒温器的用途和大小也各不相同。因为, 新设计的恒温 器, 尽管材料的机械强度、寿命、稳定性是按极端条件 来选择, 但必须住意使用的难易程度等方面的高要求， 极力防止从恒温器外部漏入的热。
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。
如果把图中的恒温器的全部漏热加起来, 根据前面的计 算, 固体导热为0.11瓦。如果按三根不诱钢管的漏热用 1/2一1/3的汽体显热抵消, 则固体导热约为0.08 瓦, 辐射 传导漏热为0.2 瓦, 残余气体传导漏热为10-4 瓦, 共计有 0.28 瓦的热量, 把这些热量除以液氦的汽化热(氦的汽化 热为650 卡/升) , 那么得出液氦蒸发损失约为370 毫升/ 时, 而实际测量的蒸发损失为400 毫升/ 时, 由于低温汽 化体所具有的显热, 抵消一部份外部的漏热, 同时, 发射 率因抛光程度的不同而有微小的差别, 这时不能象计算 从光学窗的辐射漏热和隔片的导热那样来进行计算。另 外除样品台及热屏的材料为铜外, 其它的如SUS 27 等材 料必须进行热处理。把予冷需要的液氦和灌注液氦时因 输液损失的液氦加在一起, 大约需要损失3.8升左右。
金属杜瓦瓶
(1)机械性能坚固，热变形性能良好。即使施加较大的外 力，也只是产生形变，不耐用的情况极少见。 (2)杜瓦瓶的壁可做得很薄(甚至可薄到0.5毫米以下)。这 对用于插入到中等程度磁极间隙的实验来讲是极有利的。 (3)可以进行精密的设计制造。 (4)不受尺寸的限制。 (5)其缺点是不能目测内部情况。同时价格也较责(一般为 普通玻璃杜瓦瓶三倍以上)，由于采用较厚的法兰盘，因 而重量较重，如不使用专用工具进行焊接，则容易引起真 空泄漏。
带制冷机的光学用低温恒温器
贮液式低温恒温器 连续流动式低温恒温器
液氦冷源光学测量恒温器
a．液氦传送管；b．液氦杜瓦；C．涡轮泵；d．离子吸气泵；e．空气浮动 台；f．超高真空室；g．显微镜；h．连续流式液氦／液氮低温恒温器； i．冷支撑；j．弹簧和电线；k．涡流阻尼；1．夹紧螺钉；m．显微镜； n．内防护屏；o．外防护屏
连续流动式低温恒温器
5.2 含磁体低温恒温器
一般用途的金属杜瓦瓶（可用于电磁铁）
玻璃杜瓦瓶
(1)由于采用化学锭层的方法，可留有缝隙，便于观察瓶子 内部的状态，高度能随时掌握。 (2)由于导热性小，故液态制冷剂的保存也较好。 (3)小型的玻璃杜瓦瓶制造容易，价格也便宜。 (4)与金属杜瓦瓶相比同样容积则重量轻得多。 (5)其缺点是大型(如园简直径在40厘米以上)的瓶子制造较 难，且无法保证精确的尺寸，且杜瓦瓶的内壁也不能做得太 薄(一般厚度为1.5、2厘米)。不耐机械冲击，易破碎。热变 形(急剧地冷却一加热)或局部冷却等性能较弱。无法保证与 金属盖进行较好地连接。
这是从用液氦予冷后到灌满液氦所损失的液氦, 在尽 可能减小He槽热容量的同时, 把予冷和灌满液氦所需 时间加起来共需30 分钟。氦槽的予冷需要约130 毫升 液氦( 计算值) 。氦槽容积约为2 升, 槽体SUS 材料重 304.55 克, 样品台为铜材, 重20克, SUS和铜在80 K时 的始分别为4 焦耳/ 克和5 焦耳/克, He的汽化热为650 卡/ 升, He 气在80 K 时, 焓约为12 卡/ 毫升, 但只有一 半被用于冷却。
(4)热设计的再校核针对结构设计再次进行热计算，核定所设计 的方案；
(5)配件设置根据实验目的来选择输液管、温度计、连接管道以 及阀门等配件；同时还应考虑外部测试系统的布局以及设备应 与所设计的低温恒温器相匹配。
常用低温材料
•传热好— 金，铜(导电) ; 蓝宝石，石英晶体(不导电)，等 •传热差— 不锈钢，德银，玻璃钢，胶木，树脂，尼龙，棉线等 •热胀小— 石英管（多晶，热导差）。 •导电胶— 导电好、粘接引线用 •导热胶---导热好、不导电 •粘接材料---聚乙烯醇缩醛胶(酒精可溶), 其它低温胶, 环氧树脂等 •密封材料— 橡皮圈、橡皮垫（室温用）；铟丝，保险丝（低温用） •无磁材料— 特种钢，玻璃钢，… … (塑料套管有磁性) •支撑材料石墨---高温下导热好，低温下绝热。
比热系数与不同磁场方向夹角的关系呈现出该材料序参量的各向 异性性质
Nature Communication, 1 (2010) 112 B. Zeng, G. Mu, H.Q. Luo, T. Xiang, I.I. Mazin, H. Yang, L. Shan,
C. Ren, P.C. Dai & H.-H. Wen
低温下所有部件[包括杜瓦瓶，制冷剂)，由于其比热变 小，微量的热流入就会使温度上升。特则是对于想要达到很 低温度的恒温器，即使微量的热流入也是极不允许的。
1 ) 漏热要小, 而且予冷时消耗的低温液体少。 2 ) 在使用时既不能破坏, 又不能有泄漏。 3 ) 能够把样品保持在所需要的温度, 而且保持机械 稳定。 4 ) 对于光和其它辐射线的窗口, 在与光轴成直角时, 散射和反射要小, 吸收也一定要少。 5 ) 应当考虑在低温下材料的收缩。 6 ) 在所使用的温度下应有合适于该温度精度要求 的温度计。
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
MPMS(SQUID)XL系统的多铁性材料测量
PRL 97, 227201 (2006)
西班牙CSIC研究所等单位的科研人 员用MPMS(SQUID)XL系统在2K温 度时不同偏压下测量了Py/YMO/Pt样 品磁滞回线。圈和箭头部分证明了样 品在外加电场下，磁化曲线会出现预 期的变化，表明了在合适的电场偏压 下，Py的磁矩可能会反转。
第五章 低温恒温器(cryostat )
利用低温液体或其它方法使样品处在恒定的,或 按所需方式变化的低温温度下,并能对样品进行一种 或多种物理量测量的装置。低温恒温器是实验杜瓦容器
和容器内部装置的总称，广泛应用于低温下的热物理性质测 量、材料在低温下的机械性能与实验、光学物理研究、材料 磁热特性测量和超导实验等领域。
残余气体导热是很微小的, 因为恒温器灌注液氦后, 真 空度就上升, 所以问题不大。但容器本身如有泄漏, 那 就是另外的问题了。关于残余气体的导热由克努曾 (Knudsen ) 公式得到: