溫度有多低?低溫測量是個截然不同的領域

一般應用的溫度測量大多在相當有限的範圍內進行,介於水的冰點與沸點之間 (0°C 至 100°C),但還是有很多情況超出此溫度範圍。幸好有低成本且使用簡單的固態感測器可支援 -50°C 至 +125°C 的溫度範圍,更有一些特殊的感測器可支援更廣的溫度範圍。此外,熱電偶、電阻溫度偵測器 (RTD),甚至熱敏電阻,可以處理更廣的範圍。

例如,Vishay ComponentsPTCSL03T091DT1E 熱敏電阻額定溫度介於 -40°C (277 K) 至 +165°C (438 K),而 TE Connectivity Measurement SpecialtiesR-10318-69 Type-T 熱電偶涵蓋範圍更廣,達到 -200°C (73 K) 至 + 350°C (623 K)。一般而言,找到符合這些測量範圍的感測器並不難,難就難在這些感測器的實際運用。

當溫度極高,甚至達到數千度時,能選擇的感測器相當有限。通常只能在各種熱電偶或紅外線感測裝置之間進行選擇。由於要測量的熱源溫度相當高,感測器就需要擷取大量的能量,同時又只能對熱源造成最小影響。

但是,如何測量那些極低的溫度,例如低至兩位數 (幾十 K)、個位數 (1 至 9 K),甚至個位數以下 (<1 K) 的溫度呢?有人曾經對低至 0.01 K 的溫度進行研究,IEEE Spectrum 最近的一篇文章《量子運算:原子鐘產生更持久的量子位元》(Quantum Computing: Atomic Clocks Make for Longer-Lasting Qubits),探討了在 100 nK 以下進行的研究。(怎麼達到那麼低的溫度,又是另一個令人著迷的故事!)但在如此低的溫度下,你又該如何知道確切的溫度為何呢?要精確可靠地測量這些低溫,會遇到很多陌生的狀況,原因有幾個:

  • 首先,雖然物理定律仍然有效,但材料會發生重大轉變,其特性與行為也會徹底發生變化。在低 K 區,感測器的效能、線性度以及其他關鍵屬性會有顯著變化。我們對水變成冰或蒸氣的過程或許了然於胸,但對低 K 區的變化卻難以掌握。
  • 其次,測量方法通常會與達到這些溫度所用的方法相互影響。例如,在過冷卻設備中,強度達數特斯拉的磁場通常扮演著關鍵角色 (相關方法和原因是另一個話題),而磁場會對感測裝置及其元件產生重大影響。
  • 第三,在極低溫下進行的專案,常常會涉及極少量的質量;在某些情況下,可能會小至幾個原子或分子。所以,我們面臨雙重難題:分子的能量低,而且數量相當少。顯然,您無法連接感測器,就算可以,感測器也會嚴重影響受測物質。在很多方面,這是量子物理學的海森堡不確定原理的必然結果,即:測量行為本身會影響受測物質。

圖 1:有多種材料可用於測量超低 K 值的溫度;請注意,縱軸尺標並非線性。CLTS 是低溫線性溫度感測器,這款扁平撓性感測器由錳鎳合金與鎳箔感測格組成,而 RuO2 是氧化釕。(圖片來源:ICE Oxford Ltd.)

科學家和研究人員仍然需要親自進行這些測量。依據要測量的溫度有多低,以及測量的材質是固體、氣體狀團簇中的分子還是個別分子,會有幾種不同選擇,而且有許多研究和實際應用都接近 0 K。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) 較為容易,處理液氮 (77 K、-196°C) 也是如此。相比之下,液氦溫度在 4 K (-269°C) 左右,估測難度要高出許多,但這種材質可用來冷卻 MRI 機器的磁鐵,使其達到超導區間。

測量溫度的關鍵是,務必牢記所謂的「溫度」實際上是衡量受測物質的能量。就像幾乎所有溫度測量一樣,使用者首先必須考量三個規格:要涵蓋的範圍、需要的絕對精確度,以及採用的精度 (解析度)。然後,使用者需要評估測量裝置在這些溫度下產生的影響。

令人頗為驚訝的是,某些在「常態」溫度下常用的感測器,甚至可以在個位數的較高值區間工作 (圖 1)。其中包括 RTD (使用鉑或銠鐵合金)、鍺,甚至經典的碳基電阻。然而,這些裝置的強磁場可能會引起幾 K 的感測器誤差。研究顯示,對低 K 感測的需求之大,已令許多供應商將這些感測器列入為標準目錄產品 (想一想,這真是讓人相當驚訝)。

更複雜的選項包括在光纖中使用布里元散射和其他複雜的光學技術。甚至「不起眼」的電容也可以用在橋式裝置中,其實體尺寸與形狀 (換言之,即電容值) 會按照已知的關係變化,即精確建模的溫度函數。

但這些技術不適用於測量少量分子的溫度。在這些情況下,需要使用一些非常深奧的方法。有個方案是,以精準的梯度掃描所捕捉目標周圍的強磁場,然後觀察分子如何沿著磁場分佈、指出分子的能量,從而得出溫度。另一種方案是使用雷射推動分子,透過雷射能量與所產生運動的關係,即可得出目標能量。這些方法以及其他複雜的方法,不僅難以設置,而且需要對物理特性的二階和三階微妙效應以及系統缺陷,進行大量的校正與補償。

因此,下次您想要抱怨溫度難以測量時,請想想那些需要在低 K 區間 (甚至低至 1 K 以下) 進行測量的人吧,那才是一個令人頭疼的領域;而且每位研究人員還必須提出並且回答這個永恆的問題:「我要怎麼校正、確認和驗證讀數呢?」這幾乎是一場噩夢!

關於作者

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Bill Schweber 是電子產品工程師,至今已撰寫三本有關電子通訊系統的教科書,以及數百篇技術文章、評論專欄,及產品特色介紹。他曾擔任 EE Times 的多個特定主題網站的技術網站管理人,以及 EDN 的執行編輯和類比技術編輯。

在類比和混合式訊號 IC 領導廠商 Analog Devices, Inc. 任職期間,Bill 從事行銷溝通 (即公關) 職務,因此他在技術及公關職能兩個方面皆有實務經驗,能與媒體雙向交流公司產品、業務事例及傳遞訊息。

Bill 在加入 Analog 從事行銷溝通職務前,原在業界舉足輕重的技術期刊擔任副主編,也曾任職於該公司的產品行銷和應用工程團隊。在此之前,Bill 於 Instron Corp. 從事材料測試用機器控制的類比電路和電源電路設計以及系統整合。

他擁有麻薩諸塞大學電機工程碩士學位和哥倫比亞大學電機工程學士學位,為註冊專業工程師,並持有進階級業餘無線電執照。Bill 也曾就各類工程主題進行線上課程的規劃、撰寫及講授,包括 MOSFET 概論、ADC 的選擇以及驅動 LED。

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