CN103376143B - 液氦液面的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液氦液面的测量方法，在超导液氦液面探头原有四引线法测量的基础上，采用电流正反互换的方式先后向超导线中通入电流，测得从伸入所述待测液氦最底部的超导线末端至最大测量高度之间的这段超导线两端的实际电压，有效避免了由于汤姆逊热电效应导致的误差；进一步通过实际长度和垂直长度的长度差，有效避免了超导线自身无法避免的弯曲而导致的误差，提高超导液氦液面探头测量实际液面高度的精确性。

Description

液氦液面的测量方法

技术领域

本发明涉及磁共振测试技术领域，尤其涉及一种液氦液面的测量方法。

背景技术

由于液氦是无色透明的，对可见光的折射率与空气十分接近，即使使用带观察缝的玻璃杜瓦，也不易看清液氦的液面，故需要专门的装置来指示液氦面的位置，这在磁共振低温测试中起到重要作用。根据测量原理的不同分为超导式，电容式和电阻式等测量方法。其中超导液氦液面法由于其精确性和重复性高等优点被广为采用

现有技术中，超导液氦液面测试采用的是四引线法测试，如图1所示是其简单的工作原理图，11为玻璃杜瓦；12为液氦，13为超导液氦液面探头。其中，使该超导线通过适当的电流，由于液体较气体传热快，所以使得液面以上的部分由于非超导部分产生电阻热或受到其他加热方式作用而处于常态，具有正常的电阻。而正常态区域不至延伸到液面以下，使得浸泡在液氦面以下的部分处于超导态，电阻为零。这样液面处就存在超导与常导的界面，而且随着液面高度而变化，由于超导线是均匀的，且正常区域电流加热的温度不足以改变铌钛线的电阻率，所以电阻随着液面高度的变化而变化，通过四引线法测电压间接测得电阻变化即可指示液面的高度。

具体测试如图2所示，131为Ф＝0.1mm的CuNi-NbTi超导线，之所以选择直径如此小的超导线是因为导体表面积减少，热交换减少，加热效率高，对做液面探头是有利的，液面以上的超导线131失超，处于常态中，而液面以下是超导态，这样才能间接测得实际液面高度。133、134、135分别是引线(考虑到导热率和电阻率，部分引线采用的是康铜线)，连接恒流源和电压表所用，即133、135是电压引线，134是电流引线。液面最大测量高度距离底部的垂直高度为H₀，而最大测量高度到探头底部(即深入到液氦最底部的超导线末端)的超导线长度为L₀.这样我们可以通过测量的数据计算如下：其中R₀是低温下最大测量高度以下整个超导线的电阻，具体数值的确定只能是在低温气氦下间接测量。R_G是实际液面至最大测量高度的处于气氦中的超导线电阻(即超导线末端至最大测量高度间的超导线的电阻)。U为实际测得的133和135两电压引线之间超导线两端的电压，I为恒定电流，由恒流源提供。

但是按上述公式所需，测量所得的数据面临如下问题：

(1)实际测量中U测不仅包括实际液面至最大测量高度的超导线两端的电压U_G，而且还包括了部分引线所导致的电压U_L，当然还包括了汤姆逊效应所导致的U_T；

(2)由于实际超导线或缠绕管总是有弯曲，尤其是超导线，它不可能很竖直的垂直于液面，这样我们默认的H₀就不是实际的长度，存在着比较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液氦液面的测量方法，能够有效避免由于汤姆逊热电效应和超导线自身无法避免的弯曲会导致的误差，提高超导液氦液面探头测量实际液氦液面高度的精确性。

为解决上述问题，本发明提供液氦液面的测量方法，所述方法使用超导液氦液面探头测量，所述超导液氦液面探头包括超导线、电流引线、第一电压引线以及第二电压引线，所述超导线末端伸入到所述待测液氦最底部，所述电流引线和第一电压引线均从所述超导线末端引出，所述第二电压引线从所述超导线的液面最大测量高度处引出，本发明提供的所述液氦液面的测量方法包括：

步骤一：通过所述电流引线给所述超导线通一电流I+，并通过第一电压引线和第二电压引线测量出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U1；

步骤二：通过所述电流引线给所述超导线通以与所述电流I+大小相等、方向相反的电流I-，并通过第一电压引线和第二电压引线测量出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₂；

步骤三：根据U₁和U₂计算出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的实际电压U_G＝(U₁+U₂)/2；

步骤四：根据从末端至最大测量高度之间的超导线的实际长度L₀和垂直高度H₀、所述电流I+的大小I、所述实际电压U_G以及低温下从末端至最大测量高度之间的超导线电阻R₀计算出所述实际液面的高度H_G＝H₀-U_GL₀/IR₀。

进一步的，所述超导线为NbTi超导线、Cu基NbTi超导线或者CuNi-NbTi三元复合超导线。

进一步的，所述超导线的直径为0.08mm～0.2mm。

进一步的，所述超导线顶端串联并绕制一加热丝，用于产生热使得实际液面以上的超导线失超。

进一步的，所述加热丝为康铜加热丝。

进一步的，所述电流I+和I-由同一恒流源提供。

进一步的，所述电流I+的方向沿所述超导线向上，所述电流I-的方向沿所述超导线向下。

进一步的，所述电流I+的方向沿所述超导线向下，所述电流I-的方向沿所述超导线向上。

与现有技术相比，本发明提供的液氦液面的测量方法，在超导液氦液面探头原有四引线法测量的基础上，采用电流正反互换的方式先后向超导线中通入电流，测得从伸入所述待测液氦最底部的超导线末端至最大测量高度之间的这段超导线两端的实际电压，有效避免了由于汤姆逊热电效应导致的误差；进一步通过实际长度和垂直长度的长度差，有效避免了超导线自身无法避免的弯曲而导致的误差，提高超导液氦液面探头测量实际液面高度的精确性。

附图说明

图1是现有技术中超导液氦液面测试装置示意图；

图2是现有技术中超导液氦液面探头的测试原理图；

图3是本发明的液氦液面的测量方法流程图；

图4是本发明具体实施例的超导线内的电子流体模型图；

图5A和5B是本发明一具体实施例的超导液氦液面探头的电流引线接入反方向电流示意图；

图6A和6B是本发明另一具体实施例的超导液氦液面探头的电流引线接入反方向电流示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的液氦液面的测量方法作进一步详细说明。

如图2所示，本发明液氦液面的测量方法使用的超导液氦液面探头13的结构包括：超导线131、电流引线134、第一电压引线135和第二电压引线133。

所述超导线131末端伸入到待测液氦12液面最底部且其实际液面以上的部分由于受到非超导部分导线产生电阻热的传导或各种加热装置加热而失超。本实施例中，所述超导线131可以为NbTi超导线、Cu基NbTi超导线，也可以为CuNi-NbTi三元复合超导线，例如以CuNi为基体的NbTi超导线，其实际液面以上部分通过加热箱132加热而失超。所述超导线131的直径Ф范围为0.08mm～0.2mm，例如是0.1mm，之所以选择直径如此小的超导线是因为导体表面积减少，热交换减少，加热效率高，对做液面探头是有利的。

所述电流引线134和第一电压引线135均从超导线131末端引出，所述第二电压引线133从所述超导线131的液面最大测量高度处引出，所述液面最大测量高度即为待测液氦12液面能达到的最大高度处，或者说待测液氦12所能测量的最大高度；电流引线134用于连接恒流源，通过恒流源先后通入两个方向相反、大小相等的电流I+和I-；第一电压引线135以及第二电压引线133用于连接电压表，用于测量从超导线末端至最大测量高度之间的电压。由于实际液面以下的超导线处于超导，所以末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压就是实际液面处至最大测量高度之间的超导线两端的电压。考虑到导热率和电阻率，电流引线134、第一电压引线135以及第二电压引线133中的部分引线优选为康铜线。

本发明提供的液氦液面的测量方法的流程图如图3所示，包括以下步骤：

步骤一：通过所述电流引线给所述超导线通一电流I+，并通过第一电压引线和第二电压引线测量出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₁；

步骤二：通过所述电流引线给所述超导线通以与所述电流I+大小相等、方向相反的电流I-，并通过第一电压引线和第二电压引线测量出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₂；

步骤三：根据U₁和U₂计算出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的实际电压U_G＝(U₁+U₂)/2；

步骤四：根据从末端至最大测量高度之间的超导线的实际长度L₀和垂直高度H₀、所述电流I+、所述实际电压U_G以及低温下从末端至最大测量高度之间的超导线电阻R₀计算出所述实际液面的高度H_G＝H₀-U_GL₀/IR₀。

本实施例中，请参考图5A，在步骤一中通过电流引线134接恒流源正极，所述超导线131顶端接恒流源负极，给所述超导线131通正方向(规定沿超导线向上为正方向)的电流I+，且一加热箱132给实际液面以上部分的超导线131加热而使得实际液面以上部分的超导线131失超，然后通过第一电压引线135接电压表正极，第二电压引线133接电压表负极，测出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₁；而相应地,请参考图5B，在步骤二中通过电流引线134接恒流源负极，所述超导线131顶端接恒流源正极，给所述超导线131通反方向的电流I-，且所述加热箱132给实际液面以上部分的超导线131加热而使得实际液面以上部分的超导线131失超，然后通过第一电压引线135接电压表负极，第二电压引线133接电压表正极，测出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₂。

步骤一和步骤二采用电流正反互换接法能很好地消除汤姆逊热电效应(即Thomson电压U_T)带来的影响，使得结果更加精确。理论解释如下：如图4所示，在步骤一中，电流I+方向是沿着超导线131向上的，超导线131中自由电子的运动的方向跟扩散电子的运动方向相同都是向下，当然自由电子中normal(正常态)电子和cooper(库珀)电子对是彼此独立运动的，由于加热丝132(康铜线)中电子与晶格振动的散射作用产生较大的欧姆电阻热，使得其温度超过超导线131的临界温度，导致实际液面以上的超导线131都处于quenching(失超)状态，且自由电子与扩散电子同向使得电势差增大，这样电压表测得的第二电压引线133和第一电压引线135间的电势差U₁是下高上低，与Thomson电势差同向，即末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₁＝U_G+U_T；而在步骤二中，电流方向是沿着超导线131向下的，自由电子的运动方向是向上的，与扩散电子的运动方向相反，这样电子与电子之间的散射几率比之先前大大增加，电子平均自由程变小，并且扩散电子会与少部分底端的空穴中和，使得电势差变小，这样电压表测得的第二电压引线133和第一电压引线135间的电势差U₂是上高下低，与Thomson电势差反向，即末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₂＝U_G-U_T。

因此，在步骤三中，通过U₁＝U_G+U_T和U₂＝U_G-U_T消除汤姆逊热电效应(即Thomson电势差U_T)带来的影响，得到末端至最大测量高度之间的超导线两端的实际电压U_G＝(U₁+U₂)/2。

由于超导线131不可避免地存在弯曲，所以按最大测量高度处到探头底部末端的超导线131的垂直高度H₀计算实际液面高度H_G则偏小，但是如果按最大测量高度处到探头底部末端的超导线的实际长度为L₀计算实际液面高度则偏大，因此，在步骤四中，采用长度差ΔH的概念使得能够更接近精确值，记ΔH＝L₀-H₀，则有：

$H_G=\frac{R_0-R_G}{R_0}\×L_0-\mathrm{\ΔH}=(1-\frac{U_G}{{\mathrm{IR}}_0})\×L_0-(L_0-H_0)=H_0-\frac{U_G{L}_0}{{\mathrm{IR}}_0}$

其中，R₀是低温下液氦液面最大测量高度以下的整个超导线的电阻，具体数值的确定只能是在低温气氦下间接测量；R_G是超导线末端至最大测量高度间的超导线的电阻，即实际液面至最大测量高度液面间处于气氦中的超导线的电阻；U_G为实际测得的第二电压引线133和第一电压引线135两引线之间的电压，即超导线末端至最大测量高度间的超导线两端的实际电压，也就是实际液面高度至最大测量高度间的超导线两端的实际电压；I为由恒流源提供的恒定电流I+和I-的大小。

在本实施例中，所述电流I+的方向沿所述超导线向上，所述电流I-的方向沿所述超导线向下；在其他实施例中，也可以使得所述电流I+的方向沿所述超导线向下，所述电流I-的方向沿所述超导线向上。

在本发明的其他实施例中，使得实际液面以上的超导线131失超的加热装置还可以为各种加热管或加热丝。

如图6A和图6B所示为本发明的另一个具体实施例的液氦液面的测量方法原理图，在该实施例中，使得实际液面以上的超导线131失超的加热装置为加热丝132a，例如是康铜加热丝，该加热丝132a与所述超导线131顶端串联并绕制在所述超导线131顶端，用于在通入电流时产生热，并使实际液面以上的超导线131失超而处于常态中，实际液面以下的超导线131是超导态，进而间接测得实际液面高度。在实际液面高度测量时，先进行第一步：请参考图6A，通过电流引线134接恒流源正极，所述加热丝132a接恒流源负极，给所述超导线131通正方向(规定沿超导线向上为正方向)的电流I+，加热丝132a给实际液面以上部分的超导线131加热而使得实际液面以上部分的超导线131失超，然后通过第一电压引线135接电压表正极，第二电压引线133接电压表负极，测出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₁；接着进行第二步：请参考图6B，通过电流引线134接恒流源负极，所述加热丝132a接恒流源正极，给所述超导线131通反方向的电流I-，加热丝132a给实际液面以上部分的超导线131加热而使得实际液面以上部分的超导线131失超，然后通过第一电压引线135接电压表负极，第二电压引线133接电压表正极，测出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₂；然后再按照图3所示的步骤三和步骤四中的公式计算出实际液面高度，具体的计算可以参考图5A和5B所示的实施例的计算过程，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供的液氦液面的测量方法，在超导液氦液面探头原有四引线法测量的基础上，采用电流正反互换的方式先后向超导线中通入电流，测得从伸入所述待测液氦最底部的超导线末端至最大测量高度之间的这段超导线两端的实际电压，有效避免了由于汤姆逊热电效应导致的误差；进一步通过实际长度和垂直长度的长度差，有效避免了超导线自身无法避免的弯曲而导致的误差，提高超导液氦液面探头测量实际液面高度的精确性。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种液氦液面的测量方法，所述方法使用超导液氦液面探头测量，所述超导液氦液面探头包括超导线、电流引线、第一电压引线以及第二电压引线，所述超导线末端伸入到所述待测液氦最底部，所述电流引线和第一电压引线均从所述超导线末端引出，所述第二电压引线从所述超导线的液面最大测量高度处引出，其特征在于，所述测量方法包括：

步骤一：通过所述电流引线给所述超导线通一电流I+，并通过第一电压引线和第二电压引线测量出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₁；

步骤二：通过所述电流引线给所述超导线通以与所述电流I+大小相等、方向相反的电流I-，并通过第一电压引线和第二电压引线测量出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的电压U₂；

步骤三：根据U₁和U₂计算出从末端至最大测量高度之间的超导线两端的实际电压U_G＝(U₁+U₂)/2；

步骤四：根据从末端至最大测量高度之间的超导线的实际长度L₀和垂直高度H₀、所述电流I+的大小I、所述实际电压U_G以及低温下从末端至最大测量高度之间的超导线电阻R₀计算出所述实际液面的高度H_G＝H₀-U_GL₀/IR₀。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述超导线为NbTi超导线、Cu基NbTi超导线或者CuNi-NbTi三元复合超导线。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述超导线的直径为0.08mm～0.2mm。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述超导线顶端串联并绕制一加热丝，用于产生热使得实际液面以上的超导线失超。

5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述加热丝为康铜加热丝。

6.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述电流I+和I-由同一恒流源提供。

7.如权利要求1或6所述的测量方法，其特征在于，所述电流I+的方向沿所述超导线向上，所述电流I-的方向沿所述超导线向下。

8.如权利要求1或6所述的测量方法，其特征在于，所述电流I+的方向沿所述超导线向下，所述电流I-的方向沿所述超导线向上。