Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот
В настоящей работе описан разработанный регулятор-стабилизатор температуры – прецизионный автоматизированный блок измерения и стабилизации температуры дискового диэлектрического резонатора, рассчитанный на работу в диапазоне температур 0,8÷300 К для использования в криодиэлектрометре гигагерцевого д...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Дата: | 2013 |
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2013
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106014 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот / Р.В. Головащенко, В.Н. Деркач, Н.К. Заец, В.Г. Корж, А.С. Плевако, С.И. Тарапов // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 4. — С. 92-98. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859632128265814016 |
|---|---|
| author | Головащенко, Р.В. Деркач, В.Н. Заец, Н.К. Корж, В.Г. Плевако, А.С. Тарапов, С.И. |
| author_facet | Головащенко, Р.В. Деркач, В.Н. Заец, Н.К. Корж, В.Г. Плевако, А.С. Тарапов, С.И. |
| citation_txt | Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот / Р.В. Головащенко, В.Н. Деркач, Н.К. Заец, В.Г. Корж, А.С. Плевако, С.И. Тарапов // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 4. — С. 92-98. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Радіофізика та електроніка |
| description | В настоящей работе описан разработанный регулятор-стабилизатор температуры – прецизионный автоматизированный блок измерения и стабилизации температуры дискового диэлектрического резонатора, рассчитанный на работу в диапазоне температур 0,8÷300 К для использования в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот. Применена четырехпроводная схема с питанием термодатчиков переменным током. В качестве термодатчиков использованы термометры сопротивления с разным знаком температурного коэффициента сопротивления. Обеспечена точность измерения сопротивления не хуже 0,05 % и точность стабилизации температуры около ±0,01 К. Приведены результаты тестирования разработанного устройства и результаты измерения диэлектрических параметров материалов с низкими потерями в низкотемпературных экспериментах с его использованием.
У даній роботі описано розроблений регулятор-стабілізатор температури – прецизійний автоматизований блок вимірювання і стабілізації температури дискового діелектричного резонатора, розрахований на роботу в діапазоні температур 0,8 ÷ 300 К для використання у кріодіелектрометрі гігагерцового діапазону частот. Використано чотирьохдротову схему з живленням термодатчиків змінним струмом. Як датчики використано термометри опору з різним знаком температурним коефіцієнтом опору. Забезпечено точність вимірювання опору не гірше 0,05 % і точність стабілізації температури близько ±0,01 К. Наведено результати тестування розробленого пристрою та результати вимірювання діелектричних параметрів матеріалів з низькими втратами в низькотемпературних експериментах з його використанням.
The temperature controller-stabilizer – the precision automated block for measurement and stabilization of temperature of the disk dielectric resonator, is designed for the operation in the 0.8 K÷300 K temperature range. The block is designed for cryodielectrometer of gigahertz band. The four-wire scheme with alternative current is applied. The specialized resistive sensors with different sign of temperature coefficient of resistance were tested. The accuracy of resistance detection about 0.05 % is achieved. The accuracy of stabilization of temperature is higher than ±0.01 K. Results of test experiments devoted to measurement of the material parameters of low loss dielectrics at low temperatures are presented.\
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:11:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
ППРРИИККЛЛААДДННААЯЯ РРААДДИИООФФИИЗЗИИККАА
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2013. Т. 4(18). № 4 © ИРЭ НАН Украины, 2013
УДК 681.536.53
Р. В. Головащенко, В. Н. Деркач, Н. К. Заец, В. Г. Корж, А. С. Плевако, С. И. Тарапов
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: derkach@ire.kharkov.ua
КОНТРОЛЬ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (0,8÷300 К)
В КРИОДИЭЛЕКТРОМЕТРЕ ГИГАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ
При разработке и создании низкотемпературных радиоспектрометров для измерения диэлектрических параметров мате-
риалов в миллиметровом диапазоне длин волн и широком диапазоне температур возникает задача точной стабилизации температу-
ры и ее точного измерения. Термометры для измерений низких и сверхнизких температур, как правило, основаны на температур-
ной зависимости отдельных физических свойств соответствующих веществ. Наиболее удобными для схем измерения и стабилиза-
ции температуры в этом диапазоне температур являются электрические термометры сопротивления. В настоящей работе описан
разработанный регулятор-стабилизатор температуры – прецизионный автоматизированный блок измерения и стабилизации темпе-
ратуры дискового диэлектрического резонатора, рассчитанный на работу в диапазоне температур 0,8÷300 К для использования в
криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот. Применена четырехпроводная схема с питанием термодатчиков переменным
током. В качестве термодатчиков использованы термометры сопротивления с разным знаком температурного коэффициента сопро-
тивления. Обеспечена точность измерения сопротивления не хуже 0,05 % и точность стабилизации температуры около ±0,01 К.
Приведены результаты тестирования разработанного устройства и результаты измерения диэлектрических параметров материалов
с низкими потерями в низкотемпературных экспериментах с его использованием. Ил. 9. Табл. 1. Библиогр.: 17 назв.
Ключевые слова: радиоспектроскопия, диэлектрометрия, низкие температуры, термометрия.
При разработке и создании установок и
стендов для исследования диэлектрических пара-
метров материалов с малыми потерями в милли-
метровом диапазоне длин волн возникает задача
точной стабилизации температуры и ее точного
измерения. Несмотря на то что задачи, связанные
с низкотемпературными измерениями решались
многими авторами [1, 2], они являются все еще
актуальными, поскольку при разработке схемы
измерительного устройства необходимо учиты-
вать специфические особенности каждого изме-
рительного комплекса.
Термометры для измерений низких и
сверхнизких температур, как правило, основаны
на температурной зависимости отдельных физи-
ческих свойств соответствующих веществ. Тако-
выми могут быть, например, давление газа, дав-
ление паров в равновесии с жидкостью, объем
жидкости, электрическое сопротивление, термо-
электродвижущая сила (ТЭДС), магнитная вос-
приимчивость, скорость звука в газе и т. д. [3].
Наиболее удобными для схем измерения
и стабилизации температуры в диапазоне низких
температур являются электрические термометры.
Обычно используют резистивные (термометры
сопротивлений), емкостные, индуктивные и термо-
электрические датчики. Из термометров-
сопротивлений чаще всего применяют платино-
вые (для измерения T = 100÷300 К), угольные
(T = 0,02÷100 К) и полупроводниковые датчики
(T = 1÷273 К) [4]. Чтобы перекрыть диапазон
температур от сверхнизких до комнатных, обычно
используют комбинацию из нескольких датчиков.
При измерении значений низких темпе-
ратур электрическими методами следует соблю-
дать требования, связанные с условием тепло-
обмена между термометром и объектом, темпера-
тура которого измеряется, а именно минимизиро-
вать влияние нагрева датчика за счет джоулева
тепла. Кроме того, необходимо исключить влия-
ние на точность измерений сопротивления подво-
дящих проводов термометров независимо от ве-
личины этого сопротивления. Указанным требо-
ваниям удовлетворяют некоторые схемотехничес-
кие решения, из которых чаще всего применяются
схемы сравнения, модифицированный мост Уинс-
тона и мост Томсона. Указанные схемы могут
получать питание от источников постоянного или
переменного токов [5].
Главным источником погрешностей в
схемах постоянного тока является ТЭДС, которая
возникает на контактах проводов термометров с
зажимами измерительных приборов. Эти ТЭДС
можно убрать, изготовив зажимы из того же ма-
териала, что и провод, или поддерживая одинако-
вую и постоянную температуру зажимов. Возмо-
жен вариант, когда в процессе измерения изме-
няют полярность тока источника питания, при
этом необходимо дважды регистрировать показа-
ние электросопротивления термометра и вычис-
лять среднее значение.
На точность измерительных схем на пе-
ременном токе влияют погрешности, связанные с
реактивными сопротивлениями магазинов и дру-
гих мер сопротивлений. Для уменьшения влияния
емкостного и индуктивного сопротивлений эле-
ментов схемы обычно используют провода и
меры сопротивлений с малыми остаточными
емкостью и индуктивностью. Альтернативной
мерой являются использования тока источника
питания низкой частоты (в пределах 20÷200 Гц).
Схемы переменного тока имеют и другие пре-
Р. В. Головащенко и др. / Контроль и стабилизация температуры…
_________________________________________________________________________________________________________________
93
Rэт–
БСПТ
БИСТ
+ТКС
БИСТ
–ТКС
БП
КП
БИ
Rэт+
RT+
RT–
имущества. Одно из них – возможность исполь-
зования усилителя переменного тока с большим и
постоянным во времени коэффициентом усиле-
ния, что позволяет повысить чувствительность
схемы и точность измерений. Часто в роли усили-
теля используют селективный усилитель, кото-
рый дополнительно уменьшает влияние шумов на
точность измерений [6, 7].
В литературе [8–12] имеются описания
терморегуляторов, способных работать в широ-
ком температурном интервале. Однако часть из
них работает на постоянном токе [9, 10], другие,
использующие переменный ток, ориентированы
либо на работу в узком интервале температур
≈ 1 К [8, 12] с одним типом датчика, либо имеют,
на наш взгляд, слишком сложную схему выра-
ботки сигнала обратной связи для стабилизации
температуры [11].
В настоящей работе предложена схема
регулятора-стабилизатора температуры с исполь-
зованием двух термодатчиков с положительным и
отрицательным температурным коэффициентом
сопротивления (ТКС), для работы в широком
диапазоне температур (T = 0,8÷300 К).
1. Схема регулятора-стабилизатора
температуры. Температура рабочей камеры и
контрольных точек криодиэлектрометра измеря-
ется с помощью регулятора-стабилизатора темпе-
ратуры в диапазоне T = 0,8÷300 К. Измерение
температуры осуществляется при измерении сопро-
тивления резистивных датчиков. Используется
четырехконтактный метод измерения сопротив-
ления на переменном токе, позволяющий исклю-
чить влияние подводящих проводов, а также
межконтактных разностей потенциалов, которые
возникают в местах соединений проводников.
Требуемый температурный диапазон
удалось перекрыть за счет применения двух дат-
чиков температуры. В области температур
300÷80 К используется платиновый термометр-
сопротивление HEL-700-U-1 фирмы «Honeywell»
с положительным ТКС (обозначено +ТКС) и со-
про-тивлением 1 000 Ом при T = 300 К. В области
температур ниже 80 К используются угольные
резисторы «Speer» или «Matsushita» с отрица-
тельным ТКС (обозначено −ТКС), имеющие со-
ответственно номинальное сопротивление 13 и
22 Ом при температуре T = 300 К.
Конструктивно регулятор-стабилизатор
температуры (рис. 1) состоит из шести основных
модулей: блок питания (БП); блок стабилизации
переменного тока (БСПТ); два блока измерения и
стабилизации температуры (БИСТ) по резистив-
ному датчику температуры с +ТКС и −ТКС; ком-
мутационная плата (КП) и блок вывода данных на
стрелочный и жидкокристаллический индика-
тор (ЖКИ) – блок индикации (БИ). На ЖКИ ото-
бражается напряжение, пропорциональное изме-
ренному сопротивлению, и измеряемое значение
температуры.
Структурная схема регулятора-стабилиза-
тора представлена на рис. 2, стабилизатора пере-
менного тока – на рис. 3. Задающий генератор G
(рис. 3) вырабатывает синусоидальное напряже-
ние частотой около 37 Гц, не кратной гармоникам
сетевого напряжения. Сигнал с генератора посту-
пает на усилитель мощности с регулируемым
коэффициентом усиления, регулировка которого
осуществляется с помощью резисторной оптопары,
включенной в цепь обратной связи. Выход усили-
теля мощности нагружен на низкочастотный
трансформатор с тремя вторичными обмотками.
Две из них идентичны и используются для пита-
ния датчиков температуры [8]. Напряжение UСД
с третьей обмотки используется как опорное для
управления синхронными детекторами в схемах
измерителей температуры. Датчиками тока, про-
текающего через датчики температуры, служат
прецизионные резисторы R1 и R2, включенные в
цепи питании датчиков. Напряжения с этих резис-
торов, пропорциональные протекающему току,
поступают на измерительный усилитель (AD620)
с регулируемым коэффициентом усиления.
Усиленное напряжение поступает на прецизион-
ный выпрямитель и далее на фильтр низких час-
тот (ФНЧ). С выхода ФНЧ напряжение поступает
на один из входов дифференциального усилителя.
На другой вход усилителя подается напряжение
с источника UОП, выполненного на микросхе-
ме АD780. Включенный после дифференциаль-
ного усилителя пропорционально-интегральный
регулятор (ПИ-регулятор) воздействует на излуча-
тель резисторной оптопары (и соответственно, на
коэффициент усиления усилителя) таким образом,
чтобы ток, протекающий через датчик темпера-
туры, не изменялся при изменении его сопротив-
ления. Долговременная и температурная неста-
бильность поддержания заданного тока в такой
схеме зависят только от стабильности резисто-
ров R1, R2 и стабильности источника опорного
напряжения UОП. Коэффициент стабилизации
составляет величину не хуже 1⋅104.
Рис. 1. Блок-схема регулятора-стабилизатора температуры
Р. В. Головащенко и др. / Контроль и стабилизация температуры…
_________________________________________________________________________________________________________________
94
Рис. 2. Структурная схема стабилизатора-регулятора
Рис. 3. Структурная схема стабилизатора переменного тока
___________________________________________
С целью уменьшения влияния паразитно-
го разогрева датчика температуры, рабочий ток,
протекающий через него, не превышает 10 мкА.
Погрешность измерения сопротивления датчика
порядка 0,01 %.
Выбор датчиков температуры задается
переключателем S1 (рис. 2), коммутирующим
выходной сигнал выбранного измерителя темпе-
ратуры на блок индикации и терморегулятор.
Кроме того, S1 воздействует на реле, которое
своими контактами K1.1; K1.2 подключает вы-
ходное напряжение генератора тока к выбранно-
му измерителю температуры.
Ввиду довольно значительного измене-
ния сопротивления датчиков в интервале темпе-
ратур (в 100 и более раз) мостовые схемы вклю-
чения датчиков не использовались. Измеритель-
ный ток протекает по последовательно соединен-
ным эталонным резисторам RЭТ
и датчикам RТ.
Оба измерительных резистора включены по че-
тырехпроводной схеме. Напряжения с них посту-
пают на измерительные усилители (AD620) с
одинаковым коэффициентом усиления и далее на
усилитель с регулируемым коэффициентом уси-
ления. С выхода последнего сигнал подается на
синхронный детектор и ФНЧ (см. рис. 3). В верх-
нем (по схеме) измерителе температуры в качест-
ве датчика используется угольный резистор, а в
нижнем – платиновый. Регулировкой RЭТ в изме-
рителе температуры с угольным резистором вы-
ходное напряжение устанавливается равным нулю
при T = 300 К, а в измерителе с платиновым дат-
чиком нулевое выходное напряжение устанавли-
вается при T = 77 К. Выходное напряжение
измерителя температуры подается на вход
ПИ-регулятора. Для установки выбранной темпе-
ратуры стабилизации образца служит резистор
«Уставка Т» с высокой электрической разре-
шающей способностью (0,001 %). На резистор
подается напряжение UОП, а часть этого напряже-
ния с ползунка резистора поступает на вход тер-
морегулятора и одновременно, при установке
Ky
Ky
Р. В. Головащенко и др. / Контроль и стабилизация температуры…
_________________________________________________________________________________________________________________
95
переключателя S2 в положение «Контроль устав-
ки Т», отображается на индикаторе блока или
внешнем вольтметре. Терморегулятор устанавли-
вает в обмотке нагревателя RН такую мощность,
чтобы разность напряжения уставки и выходного
напряжения измерителя температуры стремилась
к нулю.
Выходное напряжение измерителя тем-
пературы подается на стрелочный индикатор и
блок индикации. Ядром блока индикации служит
микропроцессор MSP430F133, управляющий
16-разрядным аналого-цифровым преобразовате-
лем (АЦП) ADS8325. АЦП преобразует выходное
напряжение измерителя температуры в цифровой
код. В микропроцессоре в цифровом виде прово-
дится усреднение измеренной величины напря-
жения по нескольким измерениям для повышения
точности измерений, пересчет величины напря-
жения в сопротивление и по полученной величи-
не сопротивления датчика определяется значение
измеряемой температуры в соответствии с гра-
дуировочной кривой каждого датчика, хранящей-
ся в памяти микроконтроллера. Полученные ве-
личины напряжения, сопротивления и температу-
ры преобразуются в коды цифрового индикатора
и выводятся на жидкокристаллическую панель.
Фотография регулятора-стабилизатора
температуры со стрелочным индикатором и
фрагмента электродинамического модуля крио-
диэлектрометра приведена на рис. 4, а, фотогра-
фия регулятора-стабилизатора с цифровым инди-
катором в корпусе – на рис. 4, б.
а)
б)
Рис. 4. Регулятор-стабилизатор температуры – фрагмент схе-
мы и модуля криодиэлектрометра (а), общий вид (б)
Калибровка разработанного устройства с
угольным датчиком (–ТКС) произведена по не-
скольким реперным температурным точкам, со-
ответствующим температуре таяния льда
(T = 273 К), кипения жидкого азота N2 (T = 77 К)
и жидкого гелия 4He (T = 4,2 К). Промежуточные
значения определены путем аппроксимации по
аналитическим зависимостям, найденным на ос-
новании экспериментальных результатов градуи-
ровки. Градуировка блока с платиновым датчи-
ком (+ТКС) в диапазоне температур T = 300÷75 К
выполнена по данным фирмы-изготовителя дат-
чика.
После калибровки блока измерения тем-
пературы были проведены пробные эксперименты
по выбору датчика термосопротивления (термо-
датчика) для измерения значения температуры в
разных температурных диапазонах. На рис. 5
приведена калибровочная кривая для низкоомно-
го датчика «Speer» (−ТКС), используемого при
проведении измерений при температурах
T = 80÷0,8 К. Оценка крутизны кривой темпера-
турной зависимости нескольких термодатчиков
приведены на рис. 6.
1 10 100 300
0
150
300
450
600
750
С
оп
ро
ти
вл
ен
ие
, О
м
Температура, K
Рис. 5. Результаты калибровки терморезистора «Speer» 13 Ом
в диапазоне температур 0,8÷300 К
0 100 200 300 400
0
4
8
12
16
20
С
оп
ро
ти
вл
ен
ие
, к
О
м
Температура, K
ТВО 10 кОм
Терморезистор 4 кОм
«Speer» 2 кОм
«Speer» 1 кОм
«Honeywell» 1 кОм
Рис. 6. Зависимость сопротивления термодатчиков в интерва-
ле температур 77÷373 К
К
К
Р. В. Головащенко и др. / Контроль и стабилизация температуры…
_________________________________________________________________________________________________________________
96
Для градуировки термодатчиков при
температуре ниже гелиевой (4,2 К) разработан и
изготовлен специальный модуль (рис. 7). С по-
мощью этого модуля проградуированы полупро-
водниковый термометр, изготовленный в Физико-
техническом институте низких температур
им. Б. И. Веркина НАН Украины, терморезисто-
ры «Speer» и «Matsushіta».
___________________________________________
Рис. 7. Фотография низкотемпературного модуля для градуировки термодатчиков
___________________________________________
Калибровка проведена с помощью мано-
метра Маклеода путем измерения давления на-
сыщенных паров жидкого гелия при их откачке
(Nман). Результаты калибровки приведены в таб-
лице. Данные калибровки в этом диапазоне тем-
ператур согласуются с данными, полученными
другими методами.
Значение сопротивления термодатчиков при
сверхнизких температурах
Nман,
мм рт. ст. Т, К RSpeer, Ом RMatsushita, Ом
1,93 1,07 266,00 581,0
13,0 1,77 124,01 492,0
27,0 1,90 104,47 484,9
33,0 2,01 95,29 469,3
47,0 2,18 78,35 468,4
77,0 2,41 68,47 467,5
127,0 2,78 60,00 464,7
197,0 2,97 56,47 462,0
297,0 3,36 50,77 445,7
В режиме повышения температуры в ра-
бочей камере проверены условия стабилизации в
точках проведения измерения. Время (в минутах)
перехода от одной температурной точки 1T к
другой 2T и стабилизации температуры с точно-
стью 0,05 К можно описать эмпирической фор-
мулой ( ) ( )( ) 511212 +−−=− iii ItTTTTtt , где iT ,
it и iI – температура, время и ток, протекающий
через нагреватель, в момент времени 21 << i со-
ответственно. Такая продолжительность по вре-
мени обусловлена необходимостью создания
одинаковых температурных условий в рабочей
зоне. На рис. 8 показан ход кривых изменения
сопротивления двух термодатчиков фирмы
«Matsushіta» при увеличении температуры с ис-
пользованием двух нагревателей. Датчик R1 рас-
положен вблизи одного из нагревателей, датчик
R2 – непосредственно на поверхности образца.
0 50 100 150 200 250 300
210
300
390
480
570
660
С
оп
ро
ти
вл
ен
ие
, О
м
Время, мин.
R1
R2
76
97
118
139
160
181
Те
мп
ер
ат
ур
а,
К
Рис. 8. Зависимости, характеризующие процесс стабилизации
температуры в рабочей камере в диапазоне температур
77÷170 К
2. Результаты. Рассмотренный регулятор-
стабилизатор использован в составе криодиэлектро-
метра при измерении диэлектрической проницае-
мости и тангенса угла потерь (tgδ) диэлектриче-
ских и полупроводниковых материалов с малыми
значениями потерь в миллиметровом диапазоне
длин волн и широком диапазоне температур
вплоть до сверхнизких (T = 300÷0,8 К) [13–15].
Применен метод дискового диэлектрического
резонатора (ДДР) на модах шепчущей галереи.
При этом резонатор изготавливается из иссле-
дуемого материала. Измеряемыми параметрами
являются сдвиг резонансной частоты и изменение
добротности резонансных колебаний резонатора
при изменении температуры.
ДДР располагается в нижней части вакуу-
мируемой камеры электродинамического модуля
криодиэлекторметра [13] и крепится на массивной
медной рамке. Датчики для измерения и стабили-
зации температуры расположены на этой же мед-
ной рамке в непосредственной близости от него.
Для создания теплового контакта они покрыты
теплопроводящей пастой и находятся в специаль-
ных углублениях. Вблизи датчиков расположены
нагреватели, выполненные в виде витков провода с
большим удельным сопротивлением.
100 мм
Р. В. Головащенко и др. / Контроль и стабилизация температуры…
_________________________________________________________________________________________________________________
97
В ряде экспериментов (исследование
свойств квантовых жидкостей) рабочая камера
заполняется исследуемой жидкостью – 4He. Из-
мерение параметров ДДР, изготовленных из ис-
следуемых материалов, проведено в диапазоне
частот 58÷78 ГГц и диапазоне температур
T = 0,8÷300 К [15].
Примеры изменения частоты f и доброт-
ности Q резонансных колебаний в ДДР, изготов-
ленном из кремния, легированного золотом
(Si:Au), и чистого монокристаллического крем-
ния (Si), приведены на рис. 9 [16].
Кривые характеризуют изменение диэлек-
трических параметров исследуемых материалов в
широком температурном интервале. В частности,
высокие значения добротности колебаний ДДР,
изготовленного из Si:Au, свидетельствуют о край-
не низких потерях электромагнитной энергии
в этом веществе. Резкое изменение добротности
колебаний в области λ-точки (Т ≈ 2,17 К) 4He с
необходимой степенью достоверности (обеспечен-
ной применением данного блока) указывает на
особенности взаимодействия 4He в сверхтекучем
состоянии с электромагнитным излучением [17].
На основании полученных данных (сдвигов резо-
нансной частоты, изменений добротности резо-
нансных колебаний) рассчитаны диэлектрические
параметры исследуемых материалов.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
73,68
73,70
73,72
73,74
Ча
ст
от
а,
Г
Гц Si:Au
а)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
68,696
68,698
68,700
68,702
Ча
ст
от
а,
Г
Гц
Si
)
б) б)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
30000
60000
90000
Si:Au
Si
Д
об
ро
тн
ос
ть
Tемпература, K
в)
Рис. 9. Частоты (а, б) и добротности (в) мод шепчущей гале-
реи в ДДР из Si и Si:Au в зависимости от температуры
Выводы. Разработан и создан прецизион-
ный автоматизированный блок измерения и ста-
билизации температуры рабочей камеры и образ-
ца (ДДР), рассчитанный на работу в диапазоне
температур 0,8÷300 К для использования в крио-
диэлектрометре гигагерцевого диапазона частот.
Применена четырехпроводная схема с питанием
термодатчиков переменным током. В качестве
термодатчиков использованы термометры сопро-
тивления с разным знаком ТКС. Обеспечена точ-
ность измерения сопротивления не хуже 0,05 %
и точность стабилизации температуры около
±0,01 К. В основном эти погрешности обусловле-
ны неточностью измерения постоянного выход-
ного напряжения. Регулятор-стабилизатор позво-
ляет выполнять прецизионные измерения диэлект-
рических параметров перспективных диэлектри-
ческих и полупроводниковых материалов в ши-
роком диапазоне частот и температур. Измерения
проведены на криодиэлектрометре, входящем в
состав криомагнитного радиоспектроскопическо-
го комплекса миллиметрового диапазона длин
волн, имеющего статус Национального достояния
Украины (распоряжение Кабинета Министров
Украины № 665-р от 27 декабря 2006 г.)
Библиографический список
1. Вепшек Я. Измерение низких температур электрическими
методами / Я. Вепшек. – М.: Энергия, 1980. – 224 с.
2. Методы получения и измерения низких и сверхнизких
температур: Справочник / Б. И. Веркин, В. Н. Григорьев,
В. Г. Иванцов и др. – К.: Наук. думка, 1987. – 232 с.
3. Орлова М. П. Низкотемпературная термометрия / М. П. Орло-
ва. – М.: Изд. стандартов, 1975. – 200 с.
4. Rose-Innes A. S. Low temperature laboratory techniques /
A. S. Rose-Innes. – L.: The English Universities Press Ltd.,
1973. – 255 p.
5. Kopp J. Thermal contact problems in low temperature ther-
mocouple thermometry / J. Kopp, G. A. Slack // Gryogenics. –
1971. – 11, N 1. – P. 22–25.
6. Daneman H. L. Precise resistance thermometry – A review/
H. L. Daneman, G. C. Mergner // Instrumentation Technolo-
gy. – 1967. – 14, N 5–6. – P. 51–56, 65–69.
7. Swenson C. A. Differences between AC and DC determina-
tions of germanium thermometer resistances / C. A. Swenson,
P. C. F. Wolfendale // Rev. Sci. Instr. – 1973. – 44, N 3. –
P. 339–341.
8. Рохлин Дж. И. Усовершенствованный терморегулятор для
гелиевых температур / Дж. И. Рохлин // Приборы для на-
уч. исследований. – 1970. – № 1. – C. 75–83.
9. Игнатьев В. К. Термометрические свойства кремниевого
транзистора КТ629А и электронная стабилизация темпе-
ратуры в диапазоне 1÷300 К / В. К. Игнатьев, В. М. Пуда-
лов // Приборы и техн. эксперимента. – 1983. – № 1. –
C. 187–190.
10. Скаржинюк Ф. К. Точный регулятор-стабилизатор темпе-
ратуры / Ф.К. Скаржинюк // Приборы и техн. эксперимен-
та. – 1985. – № 3. – C. 208–210.
11. Бруски Л. Прецизионный регулятор температуры для
работы с термометрами сопротивления / Л. Бруски,
Р. Сторти, Г. Торцо // Приборы для науч. исследований. –
1985. – № 3. – C. 87–91.
12. Преобразователь сопротивление-напряжение для низко-
температурных угольных термометров / В. И. Троценко,
И. М. Карнаухов, А. А. Луханин, В. Ф. Чечетенко // При-
боры и техн. эксперимента. – 1987. – №2. – C. 189–190.
Температура, К
Ча
ст
от
а,
Г
Гц
Ча
ст
от
а,
Г
Гц
Д
об
ро
тн
ос
ть
Р. В. Головащенко и др. / Контроль и стабилизация температуры…
_________________________________________________________________________________________________________________
98
13. Криогенный комплекс для измерения сверхмалых потерь в
диэлектриках в миллиметровом диапазоне длин волн /
Р. В. Головащенко, В. Н. Деркач, В. Г. Корж и др. // 13-я
Междунар. Крымская конф. СВЧ-техника и телекоммуни-
кационные технологии (КрыМиКо’2003): материалы
конф. – Севастополь: Вебер, 2003. – С. 679–680.
14. Measurement of loss tangent of dielectric and semiconductor
materials at millimeter waves and temperatures 0.9 – 300 K /
V. N. Derkach, R. V. Golovashchenko, S. V. Nedukh et al. //
Joint 30th Intern. Conf. on Infrared and Millimeter Waves
(IRMMW–THz 2005): Conf. Digest. – Williamsburg, 2005. –
P. 192–193.
15. Temperature control and stabilization in the cryodielectrometer
for temperatures 0.5 – 300 К / V. N. Derkach, R. V. Golo-
vashchenko, N. K. Zaetz et al. // 8th Intern. Kharkov Symp. on
Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and
Submillimeter Waves (MSMW’2013): conf. proc. – Kharkov,
2013. – 1 электрон. опт. диск (CD-R). – Загл. с этикетки
диска. – Paper WT-15. – P. 118–120.
16. Измерение диэлектрических параметров материалов при
низких температурах в миллиметровом диапазоне длин
волн / В. Н. Деркач, Р. В. Головащенко, Е. В. Горошко и
др. // Сб. науч. работ ФМИ НАН Украины. Сер. Физиче-
ские методы и средства контроля качества материалов и
изделий. – Львов, 2005. – Вып. 10. – С. 149–158.
17. Использование диэлектрометра миллиметрового диапазо-
на длин волн для исследования динамических характери-
стик жидкого гелия / В. Н. Деркач, Р. В. Головащенко,
С. В. Недух, А. С. Плевако, С. И. Тарапов // 15-я Между-
нар. Крымская конф. СВЧ-техника и телекоммуникаци-
онные технологии (КрыМиКо’2005): материалы конф. –
Севастополь: Вебер, 2005. – C. 836–837.
Рукопись поступила 29.07.2013 г.
R. V. Golovashchenko, V. N. Derkach, M. K. Zaetz,
V. G. Korzh, A. S. Plevako, S. I. Tarapov
CONTROL AND STABILIZATION
OF TEMPERATURE (0.8÷300 K)
IN THE CRYODIELECTROMETER
OF THE GIGAHERTZ FREQUENCY BAND
The problem of accurate temperature stabilization and
its accurate measurement arises during the design of low-
temperature radiospectrometers for measurement of dielectric
parameters of materials in the millimeter waveband and for wide
temperature range. Thermometers for measurement of low and
ultralow temperatures are usually based on the temperature depen-
dence of special properties of intrinsic material. Electric resistance
thermometers are most widespread for design of the schemes for
measurement and stabilization of temperature under the above-
mentioned conditions. The temperature controller-stabilizer – the
precision automated block for measurement and stabilization of
temperature of the disk dielectric resonator, is designed for the
operation in the 0.8 K÷300 K temperature range. The block is
designed for cryodielectrometer of gigahertz band. The four-wire
scheme with alternative current is applied. The specialized resis-
tive sensors with different sign of temperature coefficient of resis-
tance were tested. The accuracy of resistance detection about
0.05 % is achieved. The accuracy of stabilization of temperature is
higher than ±0.01 K. Results of test experiments devoted to mea-
surement of the material parameters of low loss dielectrics at low
temperatures are presented.
Key words: radiospectroscopy, dielectrometry, low
temperatures, thermometry.
Р. В. Головащенко, В. М. Деркач, М. К. Заєць,
В. Г. Корж, О. С. Плевако, С. І. Тарапов
КОНТРОЛЬ І СТАБІЛІЗАЦІЯ ТЕМПЕРАТУРИ
(0,8÷300 К) У КРІОДІЕЛЕКТРОМЕТРІ
ГІГАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ ЧАСТОТ
При розробці та створенні низькотемпературних
радіоспектрометрів для вимірювання діелектричних парамет-
рів матеріалів у міліметровому діапазоні довжин хвиль і ши-
рокому діапазоні температур виникає завдання точної стабілі-
зації температури та її точного вимірювання. Термометри для
вимірювань низьких і наднизьких температур, як правило,
засновані на температурній залежності окремих фізичних
властивостей відповідних речовин. Найбільш зручними для
схем вимірювання та стабілізації температури в цьому діапа-
зоні температур є електричні термометри опору. У даній
роботі описано розроблений регулятор-стабілізатор темпера-
тури – прецизійний автоматизований блок вимірювання і
стабілізації температури дискового діелектричного резонато-
ра, розрахований на роботу в діапазоні температур 0,8 ÷ 300 К
для використання у кріодіелектрометрі гігагерцового діапазо-
ну частот. Використано чотирьохдротову схему з живленням
термодатчиків змінним струмом. Як датчики використано
термометри опору з різним знаком температурним коефіцієн-
том опору. Забезпечено точність вимірювання опору не гірше
0,05 % і точність стабілізації температури близько ±0,01 К.
Наведено результати тестування розробленого пристрою та
результати вимірювання діелектричних параметрів матеріалів
з низькими втратами в низькотемпературних експериментах з
його використанням.
Ключові слова: радіоспектроскопія, діелектро-
метрія, низькі температури, термометрія.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106014 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-821X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:11:56Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Головащенко, Р.В. Деркач, В.Н. Заец, Н.К. Корж, В.Г. Плевако, А.С. Тарапов, С.И. 2016-09-15T06:20:16Z 2016-09-15T06:20:16Z 2013 Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот / Р.В. Головащенко, В.Н. Деркач, Н.К. Заец, В.Г. Корж, А.С. Плевако, С.И. Тарапов // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 4. — С. 92-98. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106014 681.536.53 В настоящей работе описан разработанный регулятор-стабилизатор температуры – прецизионный автоматизированный блок измерения и стабилизации температуры дискового диэлектрического резонатора, рассчитанный на работу в диапазоне температур 0,8÷300 К для использования в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот. Применена четырехпроводная схема с питанием термодатчиков переменным током. В качестве термодатчиков использованы термометры сопротивления с разным знаком температурного коэффициента сопротивления. Обеспечена точность измерения сопротивления не хуже 0,05 % и точность стабилизации температуры около ±0,01 К. Приведены результаты тестирования разработанного устройства и результаты измерения диэлектрических параметров материалов с низкими потерями в низкотемпературных экспериментах с его использованием. У даній роботі описано розроблений регулятор-стабілізатор температури – прецизійний автоматизований блок вимірювання і стабілізації температури дискового діелектричного резонатора, розрахований на роботу в діапазоні температур 0,8 ÷ 300 К для використання у кріодіелектрометрі гігагерцового діапазону частот. Використано чотирьохдротову схему з живленням термодатчиків змінним струмом. Як датчики використано термометри опору з різним знаком температурним коефіцієнтом опору. Забезпечено точність вимірювання опору не гірше 0,05 % і точність стабілізації температури близько ±0,01 К. Наведено результати тестування розробленого пристрою та результати вимірювання діелектричних параметрів матеріалів з низькими втратами в низькотемпературних експериментах з його використанням. The temperature controller-stabilizer – the precision automated block for measurement and stabilization of temperature of the disk dielectric resonator, is designed for the operation in the 0.8 K÷300 K temperature range. The block is designed for cryodielectrometer of gigahertz band. The four-wire scheme with alternative current is applied. The specialized resistive sensors with different sign of temperature coefficient of resistance were tested. The accuracy of resistance detection about 0.05 % is achieved. The accuracy of stabilization of temperature is higher than ±0.01 K. Results of test experiments devoted to measurement of the material parameters of low loss dielectrics at low temperatures are presented.\ ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Прикладная радиофизика Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот Контроль і стабілізація температури (0,8÷300 К) у кріодіелектрометрі гігагерцового діапазону частот Control and stabilization of temperature (0.8÷300 K) in the cryodielectrometer of the gigahertz frequency band Article published earlier |
| spellingShingle | Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот Головащенко, Р.В. Деркач, В.Н. Заец, Н.К. Корж, В.Г. Плевако, А.С. Тарапов, С.И. Прикладная радиофизика |
| title | Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот |
| title_alt | Контроль і стабілізація температури (0,8÷300 К) у кріодіелектрометрі гігагерцового діапазону частот Control and stabilization of temperature (0.8÷300 K) in the cryodielectrometer of the gigahertz frequency band |
| title_full | Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот |
| title_fullStr | Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот |
| title_full_unstemmed | Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот |
| title_short | Контроль и стабилизация температуры (0,8 300 К) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот |
| title_sort | контроль и стабилизация температуры (0,8 300 к) в криодиэлектрометре гигагерцевого диапазона частот |
| topic | Прикладная радиофизика |
| topic_facet | Прикладная радиофизика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106014 |
| work_keys_str_mv | AT golovaŝenkorv kontrolʹistabilizaciâtemperatury08300kvkriodiélektrometregigagercevogodiapazonačastot AT derkačvn kontrolʹistabilizaciâtemperatury08300kvkriodiélektrometregigagercevogodiapazonačastot AT zaecnk kontrolʹistabilizaciâtemperatury08300kvkriodiélektrometregigagercevogodiapazonačastot AT koržvg kontrolʹistabilizaciâtemperatury08300kvkriodiélektrometregigagercevogodiapazonačastot AT plevakoas kontrolʹistabilizaciâtemperatury08300kvkriodiélektrometregigagercevogodiapazonačastot AT tarapovsi kontrolʹistabilizaciâtemperatury08300kvkriodiélektrometregigagercevogodiapazonačastot AT golovaŝenkorv kontrolʹístabílízacíâtemperaturi08300kukríodíelektrometrígígagercovogodíapazonučastot AT derkačvn kontrolʹístabílízacíâtemperaturi08300kukríodíelektrometrígígagercovogodíapazonučastot AT zaecnk kontrolʹístabílízacíâtemperaturi08300kukríodíelektrometrígígagercovogodíapazonučastot AT koržvg kontrolʹístabílízacíâtemperaturi08300kukríodíelektrometrígígagercovogodíapazonučastot AT plevakoas kontrolʹístabílízacíâtemperaturi08300kukríodíelektrometrígígagercovogodíapazonučastot AT tarapovsi kontrolʹístabílízacíâtemperaturi08300kukríodíelektrometrígígagercovogodíapazonučastot AT golovaŝenkorv controlandstabilizationoftemperature08300kinthecryodielectrometerofthegigahertzfrequencyband AT derkačvn controlandstabilizationoftemperature08300kinthecryodielectrometerofthegigahertzfrequencyband AT zaecnk controlandstabilizationoftemperature08300kinthecryodielectrometerofthegigahertzfrequencyband AT koržvg controlandstabilizationoftemperature08300kinthecryodielectrometerofthegigahertzfrequencyband AT plevakoas controlandstabilizationoftemperature08300kinthecryodielectrometerofthegigahertzfrequencyband AT tarapovsi controlandstabilizationoftemperature08300kinthecryodielectrometerofthegigahertzfrequencyband |