基于闭环制冷机的平衡氢三相点复现装置

朱鹏飞， 屈继峰， 孙建平， 蔡晋辉， 周贞宇

(1. 中国计量大学 计量测试工程学院， 浙江 杭州 310000； 2. 中国计量科学研究院， 北京 100029)

1 引 言

平衡氢三相点是ITS-90国际温标中的低温定义固定点，同时也是我国国家温度基准固定点。为保证我国低温量值传递的统一，中国计量科学研究院于上世纪80年代起采用单固定点容器单支温度计开展了低温固定点复现研究[1～4]。随着复现技术的进步，低温固定点复现由单个固定点容器向多容器多支温度计依次复现的方向发展，以解决以往低温固定点复现耗时长、效率低等问题。但是这些技术无论是单个固定点容器或多固定点容器均采用液氦作为冷源提供复现所需的恒温环境。液氦在复现过程中的蒸发导致液氦液面下降，必须间隔一段时间向恒温杜瓦中输入液氦，这样会使内部温场发生扰动，并且检定人员需要花费大量的时间来跟踪固定点设备的升降温过程。

为了提高我国平衡氢三相点复现的技术水平，中国计量科学研究院与意大利国家计量院合作，成功研制了一套基于闭环GM制冷机的低温三相点复现装置。该装置采用准绝热法[2]，依靠精确的测温、控温和脉冲加热复现平衡氢三相点[5]。并开发了配套的控制程序，实现了对复现过程的自动控制和自动测量。该装置不但提高了工作效率，而且提升了复现性。经实验验证，该装置复现的平衡氢三相点温坪时间可达8 h以上，复现性在0.05 mK以内。

2 复现装置

平衡氢三相点复现装置主要分为两部分：低温恒温实验系统和测量控制系统。低温恒温实验系统由GM制冷机、低温恒温器和真空系统组成。测量控制系统包括温度测量、温度控制和脉冲加热系统3大部分。

2.1 低温恒温实验系统

该系统采用GM制冷机作为冷源，提供满足平衡氢三相点复现所需的恒温冷环境。在复现过程中，消除了由于液氦蒸发而引起的热扰动。该制冷机在50 Hz交流供电时，二级冷头温度最低可降至7 K左右[5]。

低温恒温器的结构如图1所示，其包括平衡氢、氖、氧和氩4个三相点容器、一级防辐射屏、二级防辐射屏、绝热屏、铜制均温块等。一级防辐射屏上安装有电阻温度计，用来测量一级防辐射屏的温度。二级防辐射屏和绝热屏上均安装有控温温度计和加热器，分别用来对两个屏进行温度的测量和控温。二级防辐射屏作为内外真空室的分界面，铟封于二级冷头上。均温块用于安装固定点和温度计，共可以安装4个固定点和5支温度计，整个均温块悬挂于样品架上，以减少均温块与其他组件的热接触。本次实验只安装一支基准套管铂电阻温度计(7904)，用来复现平衡氢固定点的温度值。低温恒温器内的测量引线和加热引线采用双绕线方法绕制于均温块和各防辐射屏上，形成多段热锚，降低引线的漏热。

图1 低温恒温器装置结构图

2.2 测量控制系统

测量控制系统主要实现温度测量、温度控制和脉冲加热3大功能。通过GPIB数据线，实现与各测量仪器的通讯，其示意图如图2所示。

图2 控制系统硬件示意图

实验中，使用英国ASL生产的F900测温电桥测量基准套管铂电阻温度计(7904)的电阻值，该温度计在水三相点处的阻值约为25 Ω。电桥的参数设置见表1[6]。绝热屏温度的测量和控制采用Agilent3458A万用表和Keithley6220恒流源配套使用。温度控制时，为了防止温度过冲，需要设定合适的PID参数，实现对绝热屏温度的精确控制。一级防辐射屏和二级防辐射屏均采用Lakeshore340控温仪测量温度，并通过设置合适的PID参数和选择合适的加热功率，实现对二级防辐射屏温度的控制。

表1 F900电桥参数

实验在准绝热的条件下进行，通过在Labview控制程序中设置合适的脉冲电流大小、脉冲时间、热平衡恢复时间等参数，利用脉冲加热实现平衡氢三相点的复现。控制系统硬件信息见表2。

表2 控制系统所用硬件信息

3 平衡氢固定点的复现

3.1 平衡氢的定义

氢的分子有两种：正氢，其2个质子的自旋是平行的；仲氢，其2个质子的自旋是相反或者反平行的。在低温下，氢更偏向于以仲氢的形式存在，当温度下降时，仲氢的比例也会增加。在室温下，氢的状态为75%的正氢和25%的仲氢，具有这样比例的氢称之为正常氢;而平衡氢是指氢的状态为0.21%的正氢和99.79%的仲氢。平衡氢和正常氢的物理性质有着一定的差别，平衡氢的温度要比正常氢略低，但温度值更加稳定。所以在ITS-90国际温标中，规定氢固定点样品的状态为更加稳定的平衡氢[7]。

3.2 复现步骤

整个复现过程主要包括以下4个阶段：

第一阶段：开启机械泵对内外真空室进行抽真空，待真空度降至10 Pa以下后，关闭内真空室并充入101.325 kPa氦气作为热交换气体。开启分子泵继续对外真空室进行抽真空，待外真空室的真空度降至1×10-3Pa后，开启制冷机降温，约10 h后温度降至10 K左右。

第二阶段：将二级防辐射屏的温度控制在14.2 K附近，绝热屏的温度控制在14 K附近。在此温度下持续12 h，实现氢的正仲转换，得到复现所规定的平衡氢。

第三阶段：氢在正仲转换的过程中会被完全融化，需要再次进行降温将其凝固。降温凝固的过程，只需要关闭二级防辐射屏和绝热屏的控温程序，使其温度降到平衡氢三相点温度以下。

第四阶段：将二级防辐射屏和绝热屏的温度控制在13.85 K附近。图3和图4为复现过程中二级防辐射屏和绝热屏的温度波动曲线，其中二级防辐射屏的温度波动为5 mK，绝热屏的温度波动为1 mK左右。通过脉冲加热，使均温块的温度低于平衡氢三相点40 mK左右，停止对均温块加热。观察不加热时基准套管铂电阻温度计的温漂，最好是缓慢上漂，温漂速率控制在10 mK/h内，必要时调整绝热屏温度设定值。当满足温漂要求后，启动自动复现温坪程序。

图3 二级防辐射屏温度波动曲线

图4 绝热屏温度波动曲线

平衡氢固定点复现加热脉冲的大小、脉冲个数以及脉冲恢复时间的设置见表3。

表3 脉冲加热参数

4 实验数据分析

4.1 温坪的复现性

复现性(多次测量的标准偏差)是评价复现装置性能的关键指标。通过控制脉冲电流的大小，可以改变温坪持续时间的长短；通过设定合适的脉冲大小，人为地将平衡氢温坪时间t控制在8 h左右。温坪曲线全貌和局部如图5所示,通过对实验数据分析可知，图5(b)中8段温坪的波动为0.13 mK。

图5 平衡氢三相点温坪曲线

实验数据的处理有两种被广泛使用的方法：一种方法是均值法[5]，去掉整段温坪的最初和最后15%，剩下的70%取平均值作为该段温坪的值；另一种方法是1/F曲线拟合法[8，9]，首先定义平衡温度融化分数F，每段脉冲后所得的温坪值都会对应一个F，画出1/F～T的散点图，然后作线性拟合，外推到1/F=1时所对应的温度值，将该温度值定义为本次复现的温坪值[10～12]，图6为某次复现的结果。

图6 平衡氢三相点1/F线性拟合

实验数据是在重复性条件下获得的，求出10次实验结果的标准偏差，其计算结果见表4。根据表4所得结果，两种处理方法所得的平衡氢三相点温坪平均值相差在0.05 mK以内，并且两种处理方法得到的复现性均优于0.05 mK。

4.2 自热修正

表4 平衡氢三相点温坪复现数据

图7 10 mA和温坪曲线图

方法10mA温坪/Ω52mA温坪/Ω自热/mK均值法13.80389913.8036220.2771/F拟合法13.80393213.8036280.304

5 不确定度分析

表6给出了平衡氢三相点复现实验的不确定度分析。不确定度主要由以下几部分组成：温坪的复现性，指10次实验结果的标准偏差，由表4可以获得；基准套管铂电阻温度计的自热效应，经多次测量结果计算得到的不确定度为0.02 mK；本次实验固定点容器内所用气体的纯度为6 N，参考INRIM数据[9，10]以及其他国家的数据，由微量杂质和同位素引起的标准不确定度为0.012 mK；平衡氢在正仲转换过程中也会带来不确定度，由此引起的标准不确定不超过0.01 mK[9]；当样品处于固-液两相时，由于静压引起的标准不确定度为0.005 mK[13]；复现过程中，由于绝热屏的温度高于三相点温度40 mK左右，由此产生的温度测量误差最大不超过0.1 mK，按照均匀分布得出标准不确定度为0.058 mK。

表6 平衡氢不确定度 mK

在利用F900电桥测量基准温度计的电阻时，根据电桥校准证书得知，电阻比值测量的扩展不确定度为0.02×10-6，按照均匀分布得到的标准不确定度为0.02 mK。

6 结 论

通过实验研究，新研制的平衡氢三相点自动复现装置复现的合成标准不确定度为0.083 mK，测量结果的扩展不确定度为0.165 mK。该系统的成功研制，提高了我国平衡氢三相点复现的技术水平，保障了国家基准量值的传递，为开展国际比对奠定了基础。

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