【導讀】如何確切知曉處于如此低的溫度？精確可靠的低溫測量是一個非常奇異的領域，原因如下：首先，雖然物理定律仍然有效，但材料會發生重大轉變，其特征和行為也會發生根本變化。
大多數一般應用的溫度測量在相當有限的范圍內進行，介于水的冰點和沸點（0 °C 至 100 °C）之間，但還有許多情況超出了這兩個溫度水平。幸運的是，市面上提供有額定溫度范圍為 -50 °C 至 +125 °C 的低成本、易使用的固態傳感器，還有一些特殊傳感器支持更廣的溫度范圍。此外，熱電偶、電阻溫度檢測器 (RTD) 和熱敏電阻可以處理更寬的溫度范圍。
例如，Vishay Components 的PTCSL03T091DT1E 熱敏電阻的額定溫度范圍為-40 °C (277 K)至+165 °C (438 K)，而TE Connectivity Measurement Specialties 的R-10318-69 T 型熱電偶 支持-200 °C (73 K) 至+350 °C (623 K) 的更寬范圍。通常，針對這些測量的傳感器不難找到，挑戰在于傳感器的實際應用。
當溫度極高，甚至達到數千度時，傳感器的選擇較為有限，通常只能在不同類型的熱電偶或紅外傳感裝置之間進行選擇。由于被測源處于高溫，因此傳感器需要捕獲大量能量，同時對被測源的影響最小。
但是，如何測量那些相當低的溫度，例如低至兩位數（幾十K）、個位數（1到9 K）、甚至個位數以下 (<1 K) 區間的溫度？有些研究甚至低至0.01 K，《IEEE綜覽》最近的一篇文章《量子計算：原子鐘產生更持久的量子位》(Quantum Computing: Atomic Clocks Makefor Longer-Lasting Qubits) 討論了100 nK以下的研究工作。（如何實現如此低的溫度是另一個引人入勝的故事?。?/div>
然而，如何確切知曉處于如此低的溫度？精確可靠的低溫測量是一個非常奇異的領域，原因如下：
首先，雖然物理定律仍然有效，但材料會發生重大轉變，其特征和行為也會發生根本變化。在低K區，傳感器性能、線性度和其他關鍵特性會有顯著變化。我們對水變成冰或蒸汽的原理了然于胸，但對低K區的變化卻難以掌握。
其次，測量方法通常與用于達到這些溫度的方法密切相關。例如，數T磁場（multi-Tesla magnetic fields）常常是過冷裝置的重要部分（相關方法和原因是另一個話題），而這些磁場會對傳感裝置及其元件產生重大影響。
第三，深冷項目常常涉及極少量的質量，某些情況下可能僅為幾個原子或分子。所以，我們面臨雙重難題：能量低且數量少的分子。顯然，無法連接傳感器，即使可以，傳感器也會嚴重影響被測物質。在很多方面，這是量子物理學的海森堡不確定性原理的必然結果，即測量操作會影響被測對象。
然而，科學家和研究人員仍然需要進行這種測量。他們有多種選擇，取決于溫度低到什么程度和測量對象是什么（固體、氣體狀團簇中的分子或個別分子），而且在0K附近有大量的研究和許多實際應用。相對而言，處理火箭燃料所用的液氧（90 K，-183 °C）和液氫（20 K，-253 °C）要容易一些，處理液氮（77 K，-196 °C）也是如此。相比之下，液氦溫度在4K (−269 °C) 左右——它用于將MRI機器的磁鐵冷卻到超導區間——評估難度要大得多。
溫度測量的關鍵是，務必牢記我們所謂的“溫度”實際上是衡量被測對象的能量。與幾乎所有溫度測量一樣，用戶必須首先考慮三個規格：所需的覆蓋范圍、絕對精準確度，以及精度（分辨率）。然后，用戶需要評估測量裝置在這些溫度下的影響。
有些令人驚訝的是，一些在“普通”溫度下的常用傳感器甚至可以在較寬的個位數區間內工作（圖1），其中包括RTD（使用鉑或銠鐵）、鍺，甚至經典的碳基電阻器。然而，這些裝置的強磁場會引起幾K的傳感器誤差。研究現狀是，對低K傳感的需求非常大，以至于這些傳感器是許多供應商提供的標準目錄產品（想一想，這是相當驚人的）。
圖1：多種材料可用于測量超低K值的溫度，注意垂直刻度不是線性的。CLTS是一種低溫線性溫度傳感器，即由錳銅和鎳箔傳感網格組成的扁平柔性傳感器；RuO2是氧化釕。（圖片來源：ICE Oxford Ltd.）
更復雜的選擇包括在光纖中使用布里淵散射和其他復雜的光學技術。甚至“不起眼”的電容器也可以用于橋式裝置中，其物理尺寸和形狀以及電容會按已知的關系（精確建模的函數）隨溫度變化。
但這些技術不適用于測量少量分子的溫度，此類情況需要一些非常深奧的方法。一種方案是采用具有精密梯度的強磁場掃描所捕獲的目標，然后觀察其分子沿該磁場的分布；這種分布會指示分子的能量，從而得出溫度。另一種方案是用激光推動分子，通過激光能量與所產生運動的關系得出目標能量。這些方法以及其他復雜方法不僅難以構建，而且需要對物理學的二階和三階微妙效應以及系統缺陷進行大量校正和補償。
因此，下次您想要抱怨溫度測量場景遇到的困難時，就想想那些需要在低K區間（甚至低至1 K）進行測量的人吧。那是一個詭異的世界，任何研究人員還必須詢問并回答永恒的儀器問題：“如何校準、確認并驗證讀數？”這幾乎是噩夢！
關于作者
Bill Schweber 是一名電子工程師，撰寫了三本關于電子通信系統的教科書，以及數百篇技術文章、意見專欄和產品特性說明。他擔任過EE Times的多個特定主題網站的技術管理員，以及EDN的執行編輯和模擬技術編輯。
在Analog Devices, Inc.（模擬和混合信號 IC 的領先供應商）工作期間，Bill從事營銷傳播（公共關系），對技術公關職能的兩個方面均很熟悉，即向媒體展示公司產品、業務事例并發布消息，同時接收此類信息。
擔任Analog營銷傳播職位之前，Bill在該公司頗受推崇的技術期刊擔任副主編，并且還在公司的產品營銷和應用工程部門工作過。在此之前，Bill曾在Instron Corp.工作，從事材料測試機器控制的實際模擬和電源電路設計及系統集成。
他擁有電氣工程碩士學位（馬薩諸塞州立大學）和電氣工程學士學位（哥倫比亞大學），是注冊專業工程師，并持有高級業余無線電許可證。Bill還規劃、撰寫并講授了關于各種工程主題的在線課程，包括MOSFET基礎知識、ADC選擇和驅動LED。
來源：DigiKey 作者：Bill Schweber
