基于电容膨胀仪在闭循环低温恒温器中实现高分辨率热膨胀测量

我们呈现了使用两台不同膨胀仪、在闭循环制冷机下获得的高分辨率热膨胀测量数据，其相对灵敏度高达 $\Delta$L$/$L = 10$^{-9}$，精度为 $\pm$2$\%$。数据质量与使用湿式液氦系统的结果高度一致，展示了在未来热膨胀测量中因液氦资源枯竭而极具前景的技术可行性。低温环境由两台分别采用脉冲管与吉福德-麦克马洪制冷机作为低温冷却器的不同低温恒温器实现。两台膨胀仪均利用弹簧运动实现电容极板的平行移动。$Dilatometer \#1$ 基于已发表设计内部搭建，而 $dilatometer \#2$ 为商用获取。对 $dilatometer \#1$ 的样品池校准使用铜完成，发现样品池效应与发表值偏差极小。使用两台膨胀仪得到的线热膨胀系数 $\alpha$ 通过数值微分与多项式拟合求导两种技术评估。银和铝金属所得 $\alpha$ 与湿式低温恒温器系统的发表值极为吻合。采用有限元方法模拟各膨胀仪中弹簧运动，借此研究不同力$/$压力对弹簧位移的影响。最后，我们报道了两种高温超导体 YBa$_2$Cu$_{3-x}$Al$_x$O$_{6+\delta}$ 与 Bi$_2$Sr$_2$CaCu$_2$O$_{8+x}$ 单晶沿 c 轴的热膨胀测量，并与使用湿式液氦低温恒温器的发表数据高度匹配。