室温磁热效应直接测量仪的误差分析

    磁制冷技术研究是近几年国内外科研开发中较热门的一个领域,它是利用磁性材料的磁热效应(MCE)实现制冷的技术。由于该技术具有高效、节能及环境友好等特点,被称为绿色制冷技术。磁热效应是磁性材料的一种固有属性。当材料在变化的磁场作用下,由于磁熵的变化,在绝热的条件下材料会表现出温度的变化。具体地说,在绝热条件下,当材料磁化时,由于磁场的作用,使材料原子磁矩趋于一致,材料磁熵降低,为了保持总熵恒定,必须增加晶格熵来弥补,这样材料外在表现为温度升高;同理,退磁时温度降低。衡量材料磁热效应的参数有等温磁熵变ΔSm和绝热温变ΔTad。虽然磁热效应的研究已有一百多年的历史,而且磁制冷技术已成功地应用于低温及超低温领域,同时近几年室温磁制冷技术领域有几项突破[1～3],但仍将面临许多难题,而且它的理论和测试手段及方法还不完善。目前常用的测量磁热效应方法有三种:磁场热容测量法、磁化强度测量法和直接测量法[4,5]。

    磁场热容测量法是首先测出不同磁场(包括零磁场)下的热容(C)与温度(T)的关系,然后利用热力学公式,计算出熵(S)与温度(T)的关系,画出S-T图,同时可以得到ΔSm-T及ΔTad-T图。该方法的优点是可以同时得到最多的材料所需的热力学参数,但它的缺点是非常耗时。

    磁化强度测量法是首先测出材料不同温度下的磁化强度(M)随磁场强度(H)的变化曲线,然后由Maxwell关系式,通过积分算出ΔSm-T关系。

    直接测量法是在绝热条件下,材料在变化磁场的作用下,直接测出材料的温度变化,得出ΔTad-T曲线,该方法只适用于低磁场(≤2T)下的测量或者温变ΔTad小于5K的情况,否则会产生较大的误差。直接测量法可以利用材料进出恒定磁场,测定其温度变化来实现。

    前两种方法属于间接测量法,是该领域普遍采用的测量方法,但存在测量周期长或测量成本高等缺点。目前国内普遍缺少测量手段,不利于该技术的发展。直接测量法简单直观、廉价,尤其在室温磁制冷材料研究领域,显示其独特的优势。我们在手动测量仪[6]基础上,改进研制出由计算机自动控制的室温磁热效应测量仪,该仪器避免并消除了手动测量仪存在大量人为因素引起的非系统误差等缺点,并大大减轻了测量工作量,测量一致性、重复性很好,但仍存在一些引起系统误差的因素。本文首先简单介绍该仪器的工作原理,然后用Gd作为标准样品进行测量,对误差进行分析。因为Gd是人们研究最多最广的室温磁制冷材料,拥有大家共同认可的测量数据。误差的探索有助于我们今后的改进,有望将来能估算出该仪器的误差值,使测量结果得到认可。