液氦超流轉(zhuǎn)變溫度復(fù)現(xiàn)性研究.pdf

1、溫標(biāo)由溫度固定點(diǎn)、內(nèi)插儀器和內(nèi)插公式構(gòu)成,溫度固定點(diǎn)是溫標(biāo)的重要組成部分。溫度固定點(diǎn)具有數(shù)值準(zhǔn)確、復(fù)現(xiàn)性高、隨時(shí)間變化小等優(yōu)點(diǎn),固定點(diǎn)研究在溫標(biāo)制定和實(shí)際計(jì)量檢測(cè)校準(zhǔn)中具有重要的地位。1990年國(guó)際溫標(biāo)(ITS-90)在13.8K至1234K溫區(qū)就是由一系列定義固定點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)內(nèi)插完成國(guó)際溫標(biāo)復(fù)現(xiàn)的。一般來說,電阻溫度計(jì)具有使用溫區(qū)寬、一致性好、使用方便、測(cè)量?jī)x器配備方便等特點(diǎn),在接觸測(cè)溫領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,常見的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和工作

2、用溫度計(jì)多為電阻溫度計(jì)。但由于電阻溫度計(jì)的阻值會(huì)受到雜質(zhì)污染和應(yīng)力的影響,而且電阻溫度計(jì)的電阻～溫度特性會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生漂移,所以電阻溫度計(jì)需要定期校準(zhǔn)以保證其準(zhǔn)確度。相對(duì)來說,溫度固定點(diǎn)的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性要遠(yuǎn)高于電阻溫度計(jì),因此電阻溫度計(jì)的穩(wěn)定性考查和使用中的校準(zhǔn),也盡量在固定點(diǎn)上進(jìn)行。ITS-90在13.8K至1234K溫區(qū)規(guī)定了17個(gè)定義固定點(diǎn)及其溫度值,最低一個(gè)固定點(diǎn)是平衡氫三相點(diǎn)(13.8033K),其熱力學(xué)溫度的不確定度是0.5m

3、K,最佳復(fù)現(xiàn)性是0.1mK,13.8K以下沒有定義的固定點(diǎn)。因此,在13K以下溫區(qū)尋找、發(fā)展性能良好的溫度固定點(diǎn),是溫標(biāo)研究、溫度計(jì)性能研究和測(cè)量校準(zhǔn)工作的重要基礎(chǔ)。
　　 氦原子量為4,正常沸點(diǎn)4.224K,當(dāng)使用真空泵對(duì)液氦進(jìn)行減壓降溫時(shí),液氦不會(huì)像其他液體那樣在三相點(diǎn)溫度下固化,而是在超流轉(zhuǎn)變溫度Tλ=2.1768K處發(fā)生相變,由正常相液氦(HeⅠ)轉(zhuǎn)變?yōu)槌飨嘁汉?HeⅡ)。正常相液氦熱導(dǎo)有限,一旦溫度降到超流轉(zhuǎn)變溫度以

4、下,超流相液氦熱導(dǎo)率突然增大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí),液氦在超流轉(zhuǎn)變溫度附近的比熱呈現(xiàn)很窄的尖峰狀,因此常將液氦超流相變稱為液氦的λ轉(zhuǎn)變。物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、三相點(diǎn)、凝固點(diǎn)和冷凝點(diǎn)是一級(jí)相變,有相變潛熱,可用絕熱法獲得溫坪進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。而液氦超流轉(zhuǎn)變是二級(jí)相變,沒有相變潛熱,只有比熱、熱導(dǎo)和磁化率等參數(shù)的變化,無(wú)法用常規(guī)的絕熱法獲得相變溫坪,只能用掃描變溫法由相關(guān)參數(shù)的變化來確定相變溫度。ITS-90文本只給出了飽和蒸汽壓時(shí)的液氦超流轉(zhuǎn)變溫度為2.1

5、768K,但未有實(shí)際應(yīng)用的液氦超流轉(zhuǎn)變溫度復(fù)現(xiàn)方法。
　　 本文建立一套液氦超流轉(zhuǎn)變溫度復(fù)現(xiàn)系統(tǒng),采用帶毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的小型密封瓶,利用液氦超流轉(zhuǎn)變時(shí)超流氦與正常氦熱導(dǎo)率突變的性質(zhì),讓一可控小熱流通過毛細(xì)管,實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管中HeⅠ／HeⅡ兩相共存和動(dòng)態(tài)平衡。毛細(xì)管中HeⅠ液柱高度會(huì)隨通過毛細(xì)管熱流的變化自動(dòng)調(diào)節(jié),使HeⅠ／HeⅡ界面停留在毛細(xì)管中,獲得了穩(wěn)定、平坦的液氦超流轉(zhuǎn)變溫坪。由于通過毛細(xì)管的熱流對(duì)液氦超流轉(zhuǎn)變溫度有下壓效應(yīng),采

6、用做不同熱流的多個(gè)溫坪,利用外推方法得到零熱流下真實(shí)的乃值。采用銠鐵電阻溫度計(jì)進(jìn)行24次液氦超流轉(zhuǎn)變溫度復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.022mK,證明了液氦超流轉(zhuǎn)變溫度具有非常好的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性,推薦將液氦超流轉(zhuǎn)變溫度作為國(guó)際溫標(biāo)的固定點(diǎn)使用。
　　 本文同時(shí)建立了704型4He低溫比對(duì)恒溫器和703型3He低溫絕熱比對(duì)恒溫器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)參加液氦超流轉(zhuǎn)變溫度復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)銠鐵電阻溫度計(jì)進(jìn)行42個(gè)溫度點(diǎn)的比對(duì)測(cè)量,確保液氦超流轉(zhuǎn)變溫度復(fù)