图5.1－3 半导体锗的电阻温度关系
图5.1－4 二极管的正向电压温度关系
在恒定电流下，硅和砷化镓二极管pn结的正向电压随着温度的降低而升高，如图5.1－4所示。由图可见，用一支二极管温度计可能测量很宽范围的温度，且灵敏度很高。由于二极管温度计的发热量较大，常把它作为控温敏感元件。
1.4温差电偶温度计
当两种金属所做成的导线联成回路，并使其两个触点维持在不同的温度时，该闭合回路中就会有温差电动势存在。如果将回路的一个触点固定在一个已知的温度，例如液氮的正常沸点77.4K，则可以由所测量得到的温差电动势确定回路的另一接触点的温度。
应该注意到，硅二极管pn结的正向电压U和温差电动势E随温度T的变化都不是线性的，因此在用内插方法计算中间温度时，必须采用相应温度范围内的灵敏度值。
2.实验装置和测量电路
2.1低温恒温器和不锈钢杜瓦容器
低温恒温器和杜瓦容器的结构如图－5所示，其目的是得到从液氮的正常沸点到室温范围内的任意温度。正常沸点77.4K的液氮盛在不锈钢真空夹层杜瓦容器中，借助于手电筒我们可以通过有机玻璃盖看到杜瓦容器的内部，拉杆固定螺母（以及与之配套的固定在有机玻璃盖上的螺栓）可用来调节和固定引线、拉杆及其下端的低温恒温器的位置。低温恒温器的核心部件是安装有超导样品、温度计的紫铜恒温块，此外还包括紫铜圆筒机器上盖、上、下档板、引线拉杆和19芯引线插座等部件。包围着紫铜恒温块的紫铜圆筒起均温的作用，上档板起阻挡来自室温的辐射热的作用。当下档板浸没在液氮中时，低温恒温器将逐渐冷却下来。适当控制浸入液氮的深度，可使紫铜恒温块以我们所需要的速度降温。通常使用液氮面维持在紫铜圆筒底和下档板之间距离的1/2处。实验表明，这一距离的调节对于整个实验的顺利完成是十分重要的。为了方便而灵敏地调节这一距离并保证在3小时内完成实验，在该处我们安装了可调式定点液面指示计。
在超导样品的超导转变曲线附近，如果需要，还可以利用25
加热器线圈进行细调。加热器线圈由温度稳定性较好的锰铜线无感地双线并绕而成。由于金属在液氮温度下具有较大的热容，因此当我们在降温过程中使用电加热器时，一定要注意紫铜恒温块温度变化的滞后效应。
实际上，由于在发生超导转变时，低温恒温器的降温速率已经变得非常缓慢，往往无需使用电加热器。然而，为了得到远高于液氮温度的稳定的中间温度，则需要将低温恒温器放在容器中液氮面上方远离液氮面的地方，通过调节电加热器的电流以保持稳定的温度。
为使温度计和超导样品具有较好的温度一致性，我们将铂电阻温度计、硅二极管和温差电偶的测温端塞入紫铜恒温块的小孔中，并用低温胶将待测超导样品粘贴在紫铜恒温块平台上的长方形凹槽内。超导样品与四根引线的连接是通过金属铟的压接而成的。此外，温差电偶的参考端从低温恒温器底部的小孔中伸出（见图5.1－5和图5.1－6）使其在整个实验过程中都浸没在液氮内。
图5.1－6 紫铜恒温快（探头）
图5.1－7四引线测
2.2电测量原理及测量设备
电测量设备的核心是一台称为“BW2型高温超导材料特性测试装置”的电源盒和一台灵敏度为1
的PZ158型直流数字电压表。
BW2型高温超导材料特性测试装置主要由铂电阻、硅二极管和超导样品等三个电阻测量电路构成，每一电路均包括恒流源、标准电阻、待测电阻、数字电压表和转换开关等五个主要部件。
（1）四引线测量法
电阻测量的原理性电路如图5.1—7所示。测量电流由恒流源提供，其大小可由标准电阻
上的电压
的测量值得出，即
.
如果测量得到了待测样品上的电压
，则待测样品的电阻
为：
.由于低温物理实验装置的原则之一是必须尽可能减小室温漏热，因此测量引线通常是又细又长，其阻值有可能远远超过待测样品（如超导样品）的阻值。为了减小引线和接触电阻对测量的影响，通常采用所谓的“四引线测量法”，即每个电阻元件都采用四根引线，其中两根为电流引线，两根为电压引线。
四引线测量法的基本原理是：恒流源通过两根电流引线将测量电流I提供给待测样品，而数字电压表则是通过两根电压引线来测量电流I在样品上所形成的电势差Ux，由于两根电压引线与样品的接点处在两根电流引线的接点之间，因此排除了电流引线与样品之间的接触电阻对测量的影响；又由于数字电压表的输入阻抗很高，电压引线的引线电阻以及它们与样品之间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。因此，四引线测量法减小甚至排除了引线和接触电阻对测量的影响，是国际上通用的标准测量方法。
（2）铂电阻和硅二极管测量电路
在铂电阻和硅二极管测量电路中，提供电流的都是只有单一输出的恒流源，它们输出电流的标称值分别为1mA和100µA.在实际测量中，通过微调我们可以分别在100和10k的标准电阻上得到100.00mV和1.0000V的电压。
在铂电阻和硅二极管测量电路中，使用两个内置的灵敏度分别为10µV和100µV的41/2位数字电压表，通过转换开关分别测量铂电阻、硅二极管以及相应的标准电阻上的电压，由此可确定紫铜恒温块的温度。
（3）超导样品测量电路
由于超导样品的正常电阻受到多种因素的影响，因此每次测量所使用的超导样品的正常电阻可能有较大的差别。为此，在超导样品测量电路中，采用多档输出式的恒流源来提供电流。在装置中，该内置恒流源共设标称为100µA、1mA、5mA、10mA、50mA、100mA的六档电流输出，其实际值由串接在电路中的10标准电阻上的电压值确定。
为了提高测量精度，使用一台外接的灵敏度为1µV的51/2位PZ158型直流数字电压表，来测量标准电阻和超导样品上的电压，由此可确定超导样品的电阻。
为了消除直流测量电路中固有的乱真电动势的影响，我们在采用四引线测量法的基础上还增加了电流反向开关，用以进一步确定超导体的电阻确已为零。当然，这种确定受到了测量仪器灵敏度的限制。然而，利用超导环所做的持久电流实验表明，超导态即使有电阻也小于
(4)温差电偶及定点液面计的测量电路