35 T强磁场下Cernox和氧化钌温度传感器的磁致电阻效应研究

孟秋敏

(1中国科学院合肥物质科学研究院 合肥 230031) (2 中国科学技术大学 合肥 230026) (3中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室 北京 100190)

35 T强磁场下Cernox和氧化钌温度传感器的磁致电阻效应研究

孟秋敏1,2,3

(1中国科学院合肥物质科学研究院 合肥 230031) (2中国科学技术大学 合肥 230026) (3中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室 北京 100190)

以Cernox(CX-1050、CX-1030)和氧化钌(RX-202、RX-102)温度传感器为研究对象，研究了其在0—35 T场强、0.75—69.5 K温区下的磁致电阻效应。实验结果表明：CX-1050和RX-202的磁效应和在35 T下的测量误差都随温度的变化出现正负磁效应和正负温度误差交替的现象，且低于10 K时，磁效应随温度的变化率明显增大，在35 T、4.2 K处CX-1050和RX-202的磁效应分别为-6.63%、2.21%；总体来说强磁场下受磁阻影响由小到大分别为RX-202、CX-1050、CX-1030、RX-102，尤其RX-202，在1—35 T、4.2 K以下产生的测量误差小于-0.1 K。Cernox和氧化钌温度传感器受磁场的影响都较小。

Cernox 氧化钌 强磁场 磁致电阻效应

1 引 言

在磁场环境下，低温温度传感器由磁阻引起的温度测量误差会降低低温物理研究结果的准确度，而更高的磁场环境和更高的温度测量准确度是强磁场下低温物理研发展究的需要。本研究将以Lakeshore公司生产的低温温度传感器Cernox(CX-1050、CX-1030 )和氧化钌(RX-202、RX-102)为研究对象，在由中国科学院强磁场科学中心自主设计、研制的一号水冷磁体提供的0—35 T磁场环境下，研究其在0.75—69.5 K温区的磁致电阻效应。Cernox温度传感器具有很高的准确度、灵敏度、稳定性、导热性，广泛用于低温温度测量，氧化钌温度传感器测量范围较Cernox低，为0.05—40 K，二者目前广泛应用于磁场环境下的低温测量。

2 实验结果分析

本研究中低温温度传感的磁效应以相对电阻偏差ΔR/R0来表征，ΔR/R0越大，温度传感器受磁场的影响则越大。

其中，R(B,T)为低温温度传感器在场强为B、温度为T时的电阻，R(0,T)低温温度传感器在无磁场环境下温度为T时的电阻[1]。

2.1 CX-1050温度传感器的磁效应分析

图1和图2分别为Cernox温度传感器CX-1050在0—35 T、1.2—69.5 K的磁效应随温度和场强的变化。Cernox磁效应随温度的变化出现正负磁效应交替的现象，交替点分别出现在5 K、17 K、45 K附近。温度在10 K及以上时，CX-1050磁效应随场强变化比较平缓，在69.5 K、1—35 T下最大磁效应和最小磁效应只相差-0.81%。低于10 K时，CX-1050磁效应随温度的变化率明显增大，随温度的降低急剧增加，以35 T场强为例，1.2 K、1.5 K、4.2 K处的磁效应分别为-36.06%、-33.21%、-6.63%。

图2 CX-1050在1.2—69.5 K的磁效应随场强的变化Fig.2 Magnetic field dependence of ΔR/R0 of CX-1050

图3为CX-1050在1.2—29.5 K温区由磁阻引起的测量误差△T。测量误差随温度的变化也出现正负误差交替的现象，交替点分别出现在2 K、5 K、15 K附近。CX-1050没有出现温度误差随场强的升高而增加的规律，在5 T、29.5 K处产生了最大测量误差-0.967 K，在25 T、4.2 K处产生了最小误差0.007 K，在35 T、4.2 K处产生的误差为0.232 K。可见CX-1050受磁场的影响较小。

图3 CX-1050由磁阻引起的测量误差Fig.3 Temperature shift of CX-1050 due to magnetic field

2.2 RX-202温度传感器的磁效应分析

图4和图5分别为氧化钌温度传感器RX-202在0—35 T、0.75—69.5 K的磁效应随温度和场强的变化。RX-202磁效应与Cernox一样随温度的变化出现正负磁效应交替的现象，交替点分别出现在2 K、7 K、18 K、47 K附近。在10 K以下，RX-202磁效应随场强的增高而增高，变化比较明显，以0.75 K为例，5 T、15 T、25 T、35 T处的磁效应分别为2.53%、4.23%、5.18%、6.07%；10 K及以上，磁效应随场强变化比较平缓，且随温度的变化差别很小，以10 K为例，1—35 T下最大磁效应和最小磁效应只相差0.14%。

图4 RX-202在不同场强下的磁效应随温度的变化Fig.4 Temperature dependence of ΔR/R0 of RX-202

图5 RX-202在0.75-69.5K的磁效应随场强的变化Fig.5 Magnetic field dependence of ΔR/R0 of RX-202

图6为RX-202在0.75—69.5 K温区由磁阻引起的测量误差△T。测量误差随温度的变化也出现正负误差交替的现象，交替点分别出现在6 K、18 K附近。RX-202也没有出现温度误差随场强的升高而增加的规律，在1—35 T、4.2 K以下，温度误差最小，小于0.1 K。30 K以下温差随场强的变化较小；30 K以上，温度误差随场强的变化率随温度的升高而增大，在69.50 K、35 T处，温度误差达到了最大值-1.47 K。在35 T，0.75 K、1.2 K、1.5 K、4.2 K、10 K处的温度误差分别为-0.087 K、-0.099 K、-0.069 K、-0.408 K。可见RX-202受磁场的影响也较小。

图6 RX-202由磁阻引起的测量误差Fig.6 Temperature shift of RX-202 due to magnetic field

2.3 Cernox与氧化钌温度传感器磁效应的对比

图7为两种型号Cernox(CX-1050、CX-1030)和两种型号氧化钌(RX202、RX-102)在35 T、1.2—29.5 K的测量误差对比。RX-102由磁阻引起的测量误差最大，且随温度的升高而增大，在35 T、29.5 K产生了最大误差-7.287 K。CX-1030测量误差随温度的变化最平缓，其在4.2 K及以下产生的误差最大。综合考虑， RX-202产生的测量误差最小，CX-1050次之，尤其在4.2 K以下，RX-202产生的测量误差小于-0.1 K，而CX-1050在此温区的测量误差在0.21—0.27 K之间。因此在温度低于29.5 K时，总体来说强磁场下受磁阻影响由小到大的温度传感器分别为为RX-202、CX-1050、CX-1030、RX-102。

图7 Cernox和氧化钌温度传感器在35 T场强下的测量误差对比Fig.7 Temperature shift contrast between Cernox and Ruthenium Oxide at 35 T

3 结 论

通过研究Lakeshore公司生产的Cernox(CX-1050、CX-1030)和氧化钌(RX-202、RX-102)温度传感器在磁场强度0—35 T、0.75—69.5 K的磁效应，得到以下结论:

(1)CX-1050和RX-202磁效应随温度的变化都出现正负磁效应交替的现象。二者在10 K及以上温度时，磁效应随场强变化比较平缓；在低于10 K时，磁效应随温度的变化率明显增大，磁效应随温度的降低急剧增加。在35 T、4.2 K处CX-1050和RX-202的磁效应分别为-6.63%、2.21%。

(2)CX-1050和RX-202在35T下由磁阻引起的测量误差随温度的变化也出现正负误差交替的现象，没有出现温度误差随场强的升高而增加的规律。总体来说这4种温度传感器强磁场下受磁阻影响由小到大分别为RX-202、CX-1050、CX-1030、RX-102，尤其RX-202，在1—35 T、4.2 K以下产生的测量误差小于-0.1 K。Cernox和氧化钌温度传感器受磁场的影响都较小。

1 阎守胜，陆 果．低温物理实验的原理与方法[M]．北京：科学出版社，1985．

Yan Shousheng, Lu Guo. Principles and method of cryogenic physics experiment[M]. Beijing: Science Press,1985.

Magnetoresistance of cernox and ruthenium oxide thermometer in 35 T magnetic fields

Meng Qiumin1,2,3

(1Hefei Institutes of Physical Sciences, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031，China) (2University of Science and Technology of China, Hefei 230026，China) (3Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physics and Chemistry Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190，China)

The magnetoresistance of Cernox(CX-1050 and CX-1030) and Ruthenium Oxide(RX-202 and RX-102) thermometer in temperature range of 0.75—69.5 K under the magnetic fields up to 35 T was investigated. Both the temperature error at 35 T and magnetoresistance of CX-1050 and RX-202 appear to be plus and minus alternately with the change in temperature. The change rate of magnetoresistance increases obviously with the temperature below 10 K. The magnetoresistance of CX-1050 and RX-202 is -6.63% and 2.21% respectively at 35 T and 4.2 K. The influence of magnetoresistance on the temperature error of RX-202 is minimal, followed by CX-1050, CX-1030 and RX-102. The temperature error of RX-202 is less than -0.1 K at 1—35 T below 4.2 K. As a whole, the magnetic field effect for Cernox and Ruthenium Oxide thermometer is insignificant.

Cernox； Ruthenium Oxide； high magnetic fields； magnetoresistance

2016-01-13；

2016-02-19

中国科学院低温工程学重点实验室开放基金(CRY0201420)项目资助。

孟秋敏，女，33岁，硕士。

TB657,TB66

A

1000-6516(2016)01-0011-03