陳紅雨，姚永才，周小風

（浙江大學 物理實驗教學中心，浙江 杭州310058）

1 引 言

在低溫的狀態(tài)下，物質(zhì)的物理性質(zhì)將發(fā)生變化，會顯現(xiàn)出一些常溫下被掩蓋的物理現(xiàn)象.因此低溫技術已成為研究物質(zhì)物理特性的新手段和新技術，廣泛應用于航空、醫(yī)學、生物等技術領域的研究.本文提出的低溫的獲得與測量實驗是在逐步降低液氮溫度并使其達到預期低溫狀態(tài)的整個過程中進行的.通過對實驗裝置的操作和數(shù)據(jù)的測量，進一步了解低溫實驗的基本技術和方法［1］.

2 設計原理

低溫實驗通常是在低溫恒溫器內(nèi)進行的.將低溫液體置于低溫恒溫器中，由于這些低溫液體的沸點比室溫低，保存在低溫容器里在常壓下大都處于沸騰狀態(tài)，因此溫度恒定于沸點溫度.

常用的低溫液體有液氧、液氮、液氫、液氦等.它們在1.01×105Pa下的沸點溫度如表1所示.

表1 液態(tài)氣體的沸點（1.01×105 Pa）

若降低低溫液體的蒸氣壓即可使其沸點降低，從而得到更低的溫度.所以利用抽氣機迅速抽去液態(tài)氣體上面的蒸氣，液態(tài)氣體劇烈汽化，吸收汽化熱而使液體本身的溫度不斷下降，抽氣愈快，蒸氣壓降得愈低，汽化愈迅速，溫度降得愈低，甚至可以使液態(tài)氣體固化.如果保持液面上的蒸氣壓強不變，就可以使液態(tài)氣體的溫度維持在該蒸氣壓強下的沸點上.所以降低低溫恒溫器內(nèi)液體的蒸氣壓，可獲得如表2所示的溫度范圍.

表2 降低恒溫器內(nèi)液體的蒸氣壓，獲得的液體的低溫范圍

表2中所列低溫液體中，最常用于低溫實驗的是液氮和液氦.

使用低溫溫度計，測量恒溫裝置內(nèi)的溫度隨液體蒸氣壓降低的變化過程［2］.

3 實驗系統(tǒng)簡介

實驗系統(tǒng)如圖1所示，由低溫容器、機械泵、熱水槽、直流電阻電橋和真空壓力傳感器及銅管組成［3］.

低溫容器即為能在低溫的一定溫度范圍內(nèi)，滿足特定低溫實驗條件的恒溫裝置.

圖1 實驗系統(tǒng)

實驗用低溫容器如圖2所示，由不銹鋼高真空廣口壺改裝而成.高真空廣口壺采用進口不銹鋼材料，利用太空高科技加工工藝，在600t的壓力下整體一次沖壓成形，再經(jīng)24道工序最后完成的無縫結構，采用真空無尾夾層內(nèi)膽保溫，可保持溫度24h以上.

低溫容器的壺體即為不銹鋼高真空廣口壺，另外用不銹鋼設計了圓蓋和密封支架，將壺底和圓蓋套住，使整個壺密封.圓蓋中央開有小孔，將銅管焊接在小孔上面，銅管經(jīng)過熱水槽，接到機械泵.圓蓋下還設有測溫口，用于安裝溫度傳感器.

實驗選擇液氮作為低溫溶液.熱水槽和銅管盤管的設計是為了防止低溫氣體直接進入機械泵，造成機械泵損壞.

圖2 低溫容器實物圖

低溫溫度測量選用Pt100鉑電阻作為溫度傳感器，用于測量容器內(nèi)液氮的溫度.鉑電阻性能穩(wěn)定，熱響應時間短，熱容量低，復現(xiàn)性較好，滿足實驗測量范圍需求.

鉑電阻溫度傳感器的基本值，對于0℃以下范圍按照下列公式計算：

其中，Rt為溫度為t時的電阻，單位為Ω；R0為0℃時的標稱電阻；t為溫度，單位為℃；A＝3.908 3×10-3℃-1；B＝ -5.775×10-7℃-2；C＝-4.183×10-12℃-4.

直流電阻電橋用于測量鉑電阻的阻值，通過鉑電阻溫度傳感器Pt100電阻值的變化即可知道液氮的溫度變化.

當機械泵開始抽氣，容器內(nèi)液氮的蒸氣壓就會逐步下降，液氮沸點也隨之降低，若保持液面上的蒸氣壓強不變，低溫容器內(nèi)的溫度就可以維持在該液態(tài)氣體蒸氣壓強下的沸點上.

4 實驗測量及數(shù)據(jù)分析

1）測量0℃時鉑電阻的標稱電阻R0.將Pt100鉑電阻置于冰水混合液中，測得：R0＝100.6Ω.

2）機械泵工作，系統(tǒng)開始抽氣，用真空壓力傳感器測量液氮蒸汽壓強變化，用直流電阻電橋測量Pt100鉑電阻在液氮的不同蒸氣壓下的阻值，數(shù)據(jù)測量值如表2所示［4-5］.

3）根據(jù)式（1），可得到實驗中液氮在不同蒸氣壓下的溫度t，如表2所示.

4）根據(jù)液氮蒸氣壓與鉑電阻阻值及溫度對應關系實驗數(shù)據(jù)表（表2）可作出液氮蒸氣壓與溫度關系曲線圖如圖3所示.

圖3 液氮蒸氣壓p與溫度t的關系曲線圖

從實驗數(shù)據(jù)（表3）和液氮蒸氣壓與溫度關系曲線圖（圖3）可以得出，隨著機械泵不斷抽氣，低溫容器內(nèi)的液氮蒸氣壓不斷下降，相應的液氮溫度也隨之降低.根據(jù)實驗所得的數(shù)據(jù)液氮溫度和液氮蒸氣壓之間的關系，可用以下曲線擬合方程表示：

其中，a＝-212.922 91，b＝0.112 424 67，c＝-0.000 281 255 99，d＝2.796 500 2×10-7.

表3 液氮蒸氣壓與鉑電阻阻值及溫度對應關系實驗數(shù)據(jù)表

一般情形不采用升高壓力提高沸點，而是利用抽氣機降低液體的蒸氣壓，液氮可獲得77.3～63.1K的溫度范圍.

本實驗裝置的設計也可使液氮獲得79.7～64.9K的溫度范圍，達到了實驗預期結果.

5 結束語

本文提出的低溫的獲得實驗設計方法和手段，可使容器內(nèi)液氮溫度達到比常壓下更低的低溫狀態(tài).通過實驗過程，能清楚了解液氮溫度和液氮蒸氣壓的關系和獲得方法.該實驗設計將現(xiàn)代科學技術與大學物理實驗教學緊密結合，可拓寬學生知識面提高學習興趣，低溫技術也成為實驗教學的內(nèi)容之一，提高了教學水平和教學質(zhì)量.

［1］張訓生.大學物理實驗［M］.杭州：浙江大學出版社，2004.

［2］史永基，史東軍.低溫測量技術［J］.傳感器世界，2001，7（11）：23-29.

［3］朱亞彬，魏敏建，何帆，等.真空變溫薄膜電阻測試儀器的設計與應用［J］.物理實驗，2011，31（1）：28-30，33.

［4］孫淑鳳，陳流芳.低溫測量中壓力傳感器的改進與標定［J］.深冷技術，1999（5）：28-30.

［5］崔文德，李鐵鵬，牛建永，等.熱敏電阻低溫測量方法研究［J］.宇航計測技術，2010，30（4）：25-31.