[发明专利]一种适用于4.2K-4.5K温区的高分辨率超导温度计

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温测量设备，更具体地，涉及一种适用于4.2K-4.5K温区的高分辨率超导温度计。

背景技术

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100μK。

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μk。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μK，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。

超导体中磁场穿透深度与温度在4.2K-4.5K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

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4.2K-4.5K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究和改进，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4.2K-4.5K温区呈线性关系的发觉，而尤其适用于4.2K-4.5K的液氮温区。

按照本发明，提供了一种适用于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、互感线圈以及超导量子干涉仪，其特征在于：

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；

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；

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。

作为进一步优选地，隔离元件为G-10环氧板。

作为进一步优选地，超导体的材料为铌。

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0.5μK。

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究和改进，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。

其次，由于超导体中磁场穿透深度与温度在4.2K-4.5K温区为线性关系的发觉，本发明在4.2K-4.5K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

图1是本发明一种适用于4.2K-4.5K温区的高分辨率超导温度计的结构示意图。

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

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。

图1是按照本发明的适用于4.2K-4.5K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-10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1为平面无骨架盘形线圈，G-10环氧板2形状为两面平行且光滑的薄板，感应线圈1通过G-10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-10环氧板2接触的面平整且光滑。