摘要：針對低溫恆溫器中低溫介質溫度的高精度控制，本文主要介紹了低溫介質減壓控溫方法以及氣壓控制精度對低溫溫度穩定性的影響，詳細介紹了低溫介質頂部氣壓高精度控制的電阻加熱、流量控制和壓力控制三種模式，以及相應的具體實施方案和細節。

1. 引言

在低溫恆溫器中，低溫介質（液氦和液氮等）溫度波動產生的主要原因是沸騰的低溫介質頂部氣壓（真空度）的變化。因此，為了實現低溫介質內部的溫度穩定，就需要對低溫介質頂部的氣壓進行準確控制。

國內外針對低溫恆溫器的溫度控制大多采用以下三種技術途徑：

（1）主動控制方式：在浸沒於低溫介質的真空腔裡直接引入加熱電路，利用溫度計對真空腔溫度的實時監測資料，與目標溫度值進行比較後來控制加入到加熱電路中的電流。

（2）被動控制方式：對低溫介質頂部氣壓進行控制，使低溫介質溫度穩定。

（3）複合控制方式：複合了上述兩種控制方式，在浸沒於低溫介質的真空腔裡直接引入加熱控制電路之外，還同時對低溫介質上部的氣壓進行控制。

電阻加熱控溫方式已經是一種非常成熟的技術，本文將主要針對低溫介質頂部氣壓控制方式，介紹氣壓控制精度對低溫溫度穩定性的影響，以及高精度氣壓控制的實現途徑和具體方案。

圖1 液氦飽和蒸氣壓與溫度關係曲線

2. 氣壓控制精度與溫度穩定性關係

以液氦為例，液氦的飽和蒸汽壓與對應溫度變化曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，在很小的溫度範圍內，上述曲線可以用直線段來描述，所以可以得到4K左右的溫度範圍內，氣壓大約100Pa的波動可引起1mK左右的溫度波動。由此可以認為，如果要實現1mK以下的波動，氣壓波動不能超過100Pa。

3. 頂部氣壓控制的三種模式

低溫介質頂部氣壓控制一般採用三種模式：電阻加熱、流量控制和壓力控制。

3.1 電阻加熱模式

在低溫恆溫器的恆溫控制過程中，電阻加熱模式是在低溫介質中放置一電阻絲加熱器，如圖2所示，真空計檢測頂部氣壓變化，透過PID控制器改變加熱電流大小來調節和控制頂部氣壓，將頂部氣壓恆定在設定值上。從圖2可以看出，電阻加熱模式比較適合增加頂部氣壓的升溫控溫方式，但無法實現減壓降溫。

圖2 電阻加熱模式示意圖

3.2 流量控制模式

流量控制模式是一種典型的減壓降溫模式，如圖3所示，真空泵按照一定抽速連續抽取低溫恆溫器來降低頂部氣壓，真空計、電動針閥和PID控制器構成閉環控制迴路，透過電動針閥調節抽氣流量使頂部氣壓準確恆定在設定真空度上。由此可見，流量控制模式比較適合降低頂部氣壓的降溫控溫方式，但無法實現增壓升溫。

圖3 流量控制模式示意圖

另外流量控制模式中，真空泵的連續抽氣使得低溫介質的無效耗散比較嚴重。

3.3 壓力控制模式

壓力控制模式是一種即可增壓也可減壓的控溫模式，如圖4所示，當採用真空泵抽氣時為減壓模式，當採用增壓泵時為增壓模式，由此可實現寬溫區內溫度的連續控制。所採用的調壓器自帶一路進氣口（大氣壓），結合真空泵在對頂部氣壓進行恆壓控制的同時，可有效避免低溫介質的大量無效耗散。

圖4 壓力控制模式示意圖

另外，這裡的增壓方式也可以採用低溫介質中增加電加熱器來實現。

4. 其他實施細節

在上述三種控制模式實施過程中，還需特別注意以下細節：

（1）真空計的選擇

真空計是測量頂部氣壓變化的感測器，是決定低溫恆溫器溫度控制穩定性的關鍵，所以一定要選擇高精度真空計。

目前高精度真空計一般為電容薄膜規，一般整體精度為0.2%。

如前所述，在液氦4K左右的恆溫控制過程中，要求氣壓波動不超過100Pa，及±50Pa，如果對應於100kPa的氣壓控制，則真空計的精度要求需要高於±0.05%。由此可見，對於溫度波動小於1mK的恆溫控制，還需要更高精度的真空計。

（2）PID控制器的選擇

在恆溫控制過程中，PID控制器透過A/D轉換器採集真空計的測量值，計算後再將控制訊號透過D/A轉換器傳送給執行器（電動針閥、調壓器和加熱電源等）。為此，要保證能充分發揮真空計的高精度和控制的準確性，需要A/D和D/A轉換器的精度越高越好，至少要16位，強烈建議選擇24位高精度的PID控制器。

（3）調壓器的配置

調壓器是一種集成了真空壓力感測器、控制器和閥門的壓力控制裝置，但真空壓力感測器的精度遠不如電容薄膜規，控制器精度也比較低。為此在使用調壓器時，要選擇外接控制模式，即採用電容薄膜規作為控制感測器。

另外，需要特別注意的是，調壓器中控制器的A/D和D/A轉換器精度較低，因此對於高精度和高穩定性的頂部氣壓控制而言，不建議採用控壓模式，除非採用特殊訂製的高精度調壓器。