第1部分这篇文章着眼于超冷和低温温度的传感和传感器;第2部分将故事推进到更深奥的情况。
问:测量极端高温和低温的根本区别是什么?
- 答：当事情变得非常热，延伸到数千度时，传感器选项有限。通常，它成为各种类型或红外传感布置的热电偶之间的选择。由于测量的源处于高温，因此它具有大量的能量，需要由传感器捕获，对该来源的影响最小 - 但具有所有能量是缓解挑战的关键益处。与源本身的能量相比，传感器吸收的任何能量通常可忽略不计，因此不影响源的能量，从而影响温度。
问:好的，但是在较低的双位数(几十个K)、个位数(1到9k)甚至次个位数(< 1k)区域的较冷端感应呢?
答:令人惊讶的是，低端现在已经接近绝对零度。有研究在0.01 K下进行，最近有篇文章IEEE频谱(参考3)讨论的研究在100 nk以下进行。（如何降低到那个低价是另一个迷人的故事！）
问：但是你如何确切地知道你在那里的地方？
答:精确、可靠地测量这些低温温度是一个非常奇怪的世界的一部分，原因有几个:
- 首先，虽然物理定律显然仍然有效，但传感器的材料进入了重大转变，其许多特性和行为发生了根本变化。传感器性能、线性度和其他关键属性在低K区域会发生显著变化，这些变化可能很难评估。
- 其次，测量方法通常与达到这些温度的方法交织在一起。例如，多特斯拉磁场通常是过冷安排的主要部分(同样，如何和为什么是另一个故事)，这些磁场对传感安排及其组件有重大影响。
- 第三，深冷温度下的项目往往涉及少量的质量;在某些情况下，它可以是很少的几个原子或分子。所以，你就有了一个双重问题:低能量的分子，而且只有几个。很明显，你不能安装传感器，即使可以，传感器也会严重影响被测物质。在被测量的目标中，质量和能量是如此之少，做任何事情都会扭曲目标，并吸收一些能量。在某种程度上，这种情况类似于量子物理中的海森堡测不准原理，即进行测量的基本行为会影响被测量的对象。
问:那么如何进行这些测量呢?
答：这些低温温度的研究人员具有多种选择，具体取决于它们的效果以及它们在测量（固体质量，气体簇中的分子或单独分子）。相对来说，处理火箭燃料的液氧（90k，-183℃）和氢气（20k，-253℃）的那些容易，与氮气一起使用的那些（77 k，-196°C）．相比之下，液氦更难以评估，在约4k（-269℃）下，它用于将MRI机器的磁体降至其超导区域。
问:进行这些低温测量的关键是什么?
答：请务必记住，我们通常称之为“温度”是一种测量的能量的衡量标准。与几乎所有温度测量一样，用户必须首先考虑三种规格：他们需要覆盖哪些范围，他们需要的绝对精度（以及如何精确（分辨率），并且它们的测量布置将在这些温度下具有的影响。
问：所有低温传感情境是否是eSoteric？
图1:各种材料可以使用低到惊人的K值;注意，垂直比例不是线性的。CLTS是一种低温线性温度传感器，是一种由锰和镍箔传感网格组成的平面柔性传感器，RuO2是氧化钌。（图片：冰牛津有限公司）
A:不，一点也不。有些令人惊讶的是，一些通常在更“正常”温度下使用的传感器甚至可以工作到高个位数区域(图1)．在选择中有rtd(使用铂或铑铁)，锗，甚至经典的碳基电阻。然而，强磁场，这也是许多低温冷却安排的一部分，可以诱导传感器误差几K。
然而，研究现实是，低k传感器有如此多的需求，这些传感器是标准的，现成的目录项目，可从许多供应商(这是一个相当令人惊讶的事实，当你思考它)。即使是一个“不起眼的”双板电容器也可以用在桥式结构中，因为它的物理尺寸和形状——以及它的电容——在已知的关系中变化，这是一个精心建模的温度函数。NIST已经开发了许多使用纯材料和合金、形状和配置的标准和模型，这些都可以谨慎采用。这些也可以作为标准目录项目，如CS-501GR(图2)，来自Lake Shore Cryotronics，Inc。指定约1.5 k至300 k(图3)．
图2：来自Lake Lakore Cryotronics的CS-501gR是标准电容式温度传感器，该传感器被指定为约1.5 k（图像：湖滨冷冻电子有限公司）
问：什么是一些更先进的传感技术？
答:更复杂的选择包括使用光学技术，如在光纤中使用布里渊散射和其他复杂的安排。激光和激光位移也可以用来提供非接触测量，但它是一个复杂的光电装置，需要校准、校正、误差消除和补偿的许多不准确来源。
问：似乎问题很难以解决，但是是吗？
答:对于像液氦这样的“大块”材料可能是这样，但这些技术不适用于测量少量分子的温度。在这些情况下，需要一些真正深奥的方法。一种排列方式以精确的梯度扫描被捕获目标周围的强磁场，然后观察其分子如何沿磁场分布，从而显示它们的能量，从而显示温度。
图3：顶层参数的图表显示了CS-501GR传感器在其宽操作范围内的基本性能。（图片：湖滨冷冻电子有限公司）
另一种方案是用激光推动分子，激光能量与合成运动的比值表示目标能量。这些和其他复杂的方法不仅难以建立，而且还需要对其物理的二阶和三阶细微之处以及系统缺陷进行大量修正。
So, the next time you feel the need to complain about how hard your temperature-measurement scenario is, just think about those working in the low-K region, down to and even below 1 K. It’s a spooky world down there, and any researchers must also ask and answer the eternal instrumentation question, “Even if I am measuring the temperature, how do I calibrate, confirm, and validate my readings?” That’s almost nightmare stuff.
参考文献
- EE世界在线，”磁共振成像(MRI)，第1部分:如何工作“
- EE世界在线，”MRI，第2部分：历史发展（和诉讼）“
- IEEE光谱,“量子计算:原子钟使量子位更持久“
- 新西兰测量标准实验室，“凯尔文
- 国家标准与技术研究所（NIST），“1990年的国际温度等级“
- 国家标准与技术研究所（NIST），“k: - 90“
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