英国的研究人员已经开发出了最准确的低温电流比较仪---这是一个用来测量相对电流强度的设备。这个新设备比以往所有的设备都更加精确,而且原则上,它不需要液态氦就可以运行。
不论是对癌变组织中电离辐射产生的皮安级别的电流,还是对电力供应商提供的数百安培的电流,这些电流的精确测量对于现代物理学有着重大意义。能最准确测量直流电源强度的仪器就是低温电流比较仪(CCC)。然而,正如它的名字一样,它只能在接近绝对零度的条件下工作,这对与那些没有储存液态氦的实验室来说是个问题。
超导电路
低温电流比较仪需要使用到超导材料和一个定量的磁通量检测器,来检测电流的比率。为了检测出未知电流的强度,需要先把两根导线穿过超导体管。一股可变电流将会在其中一跟导线上流过,它与要测量的电流方向相反。这样一来,超导体管内壁会产生相应的电流,这电流与两根导线上的电流差大小相同,方向相反。内壁产生的电流会输出到外壁的一个电路中,产生一个小型的磁场。这磁场的强度会被超导量子干涉器件(SQUID)检测出来。当SQUID检测出是零磁场的时候,表明超导体管没有电流通过,同时也意味着两根导线上的电流大小相同。当可变电流和未知电流差异较大时,可以通过调节导线通过超导管的根数来测量,这样,安培级别的电流也能够和皮安级别的电流相比较了。
低温电流比较仪最早是由Jonathan Williams和他的同事们根据德国人的提议在英国特丁顿的国立物理研究所设计的。在最初的设计中,这个设备需要提供持续的大量的液态氦。即使它很昂贵,在发达国家的实验室中依然能使用到,然而这会严重地限制发展中国家在工业或实验室中的商业应用。
连续制冷
最近,机械冰箱被开发出可以仅仅使用电能就能达到冷冻的温度。这已经被广泛地运用在医院MRI扫描仪中,以免液态氦汽化。国立物理研究所的科学家和伦敦本土的低温有限公司的同事们开始了新的研究。低温有限公司的董事长Jeremy Good表示,机械冰箱的缺陷在于它的制冷不是连续的。“这是一个机械控制的制冷设备,”他说,“它有一个可以在气缸里上下活动的活塞,并且提供制冷。但最终冰箱的温度会维持在0.6K左右,频率是1~2Hz。”这将严重影响测量的准确性,因为SQUID和低温电流比较仪的组件对于气温和压力是非常敏感的。
如今低温有限公司开发出了一种新设备,它可以把机械冰箱的振动过滤后,将制冷功能转移到低温电流比较仪上。公司还希望借此改进低温电流比较仪,使它不再需要液态氦。“我们认为我们可以实现,但尚未证实,”Good说道。研究所领导电气测量项目的负责人Williams解释道,“在制冷和相关方面,并没有技术上的难题。这只不过是将两个设备整合在一起,并且确保他们合得来。”
研究人员指出了在医学和化学领域,“干”低温电流比较仪的两个潜在用途。给予癌症患者的电离辐射的剂量,在有的时候,是通过测量光束在电离室中产生的微小电流而校准的。从大规模来说,对于再生能源的驱动需要国家之间传递的数百安的电流。“他们想享受到芬兰的能源,在那里有风力涡轮机发电,以及西班牙利用太阳能发出的电力,”Williams说,“将这些能源在欧洲大陆传送,他们需要投资很大一部分给DC环节。