第一章-1-低溫技術(shù)及其應(yīng)用

低溫技術(shù)及其應(yīng)用巨永林

上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所機械與動力工程學(xué)院A樓412yju@低溫現(xiàn)象（自然的，人造的）低溫技術(shù)應(yīng)用：科學(xué)、工程主要內(nèi)容低溫學(xué)：研究低溫的科學(xué)和技術(shù)低溫技術(shù)：如何獲得和維持低溫教材：

制冷原理與技術(shù)，王如竹等編，科學(xué)出版社，2003教學(xué)參考書：低溫系統(tǒng)，王如竹等編著，上海交通大學(xué)出版社，2000制冷與低溫原理，陳光明等編，機械工業(yè)出版社，2000制冷與低溫技術(shù)原理，吳業(yè)正等著，高等教育出版社，2004最新低溫制冷技術(shù)，陳國邦等著，上海交通大學(xué)出版社，2003CryogenicEngineering,FlynnT.M.,NewYork,1997CryogenicEngineering,TimmerhausK.D.Reed,R.P.Reed.NewYork,2007Theartofcryogenics:low-temperatureexperimentaltechniques/editedbyGuglielmoVenturaandLaraRisegari.Amsterdam;Boston:Elsevier,2008教材與教學(xué)參考書第一章低溫系統(tǒng)導(dǎo)論(2學(xué)時)第二章材料的低溫性能(4學(xué)時+2學(xué)時實驗)

第三章氣體液化系統(tǒng)(4學(xué)時)

第四章氣體分離及純化系統(tǒng)(4學(xué)時)

第五章小型低溫制冷機(4學(xué)時+2學(xué)時實驗)

第六章低溫貯運設(shè)備(4學(xué)時)

第七章真空技術(shù)及真空泵(4學(xué)時+2學(xué)時實驗)

第八章低溫測量系統(tǒng)(4學(xué)時)教學(xué)安排低溫UniverseandNature溫度計低溫制冷極低溫溫度計通過123K(-150℃)來分界溫區(qū)高于123K為制冷（Refrigeration），又稱普冷；空調(diào)Air-Conditioning是制冷技術(shù)在其最高溫區(qū)的應(yīng)用低于123K為低溫（Cryogenics）“RefrigerationandCryogenics”低溫溫度的劃分低溫物理和低溫工程氣體液化和分離熱力學(xué)和傳遞過程低溫制冷裝置低溫生物和低溫醫(yī)療食品冷凍和保存低溫儲存低溫運輸空調(diào)熱泵、冷能利用國際制冷學(xué)會（IIR）地球上最冷的地方在南極：-88.3°C，被稱為“世界寒極”什么地方最冷？在月球的陰面，溫度為-160°C在宇宙深處，溫度為-270°C“絕對零度”，即-273.15°C，用0K表示。但這只是理論值，科學(xué)家正在通過實驗，努力向它逼近。在1958年，已達到距離0K只有1/萬，經(jīng)過十幾年的艱苦努力，終于逼近到距離0K只有1/億的新紀錄。冷的極限？低溫學(xué)研究低溫的科學(xué)和技術(shù)原理研究如何獲得和維持低溫的科學(xué)和技術(shù)原理根據(jù)在不同的低溫溫度區(qū)域，獲得低溫的方法及研究對象，又可把制冷技術(shù)分為普冷技術(shù)和深冷技術(shù)。習(xí)慣上把普冷技術(shù)稱為制冷技術(shù)，把深冷技術(shù)稱為低溫技術(shù)。獲得低溫的方式有很多，主要是相變制冷和節(jié)流膨脹制冷。低溫制冷技術(shù)超導(dǎo)(無電阻、完全抗磁性)。雖然超導(dǎo)和材料研究力圖擺脫低溫的限制，但到目前為止還必須依賴低溫低溫，孕育了許多奇妙的物理現(xiàn)象，使物質(zhì)性質(zhì)發(fā)生奇特的變化，成為物理學(xué)前沿研究不可或缺的手段超流。液氦II表現(xiàn)出幾乎為0的流動阻力和一些奇妙現(xiàn)象高能物理。大型粒子加速器（加速粒子），探測器（測量碰撞后的粒子）玻色-愛因斯坦凝聚：原子在接近0K時特殊物態(tài)

早期的Nobel物理學(xué)獎S.BoseKamerlinghOnnesEinstein近期的Nobel物理學(xué)獎日常的低溫現(xiàn)象空氣在-196°C時會變成淺藍色液體塑料、橡膠、鮮艷的花朵、生雞蛋放進液氮中會變成玻璃一樣，輕敲會發(fā)出“叮當(dāng)”聲，重敲會破碎低溫下的空氣低溫-性質(zhì)將一條金魚放入液態(tài)空氣中，再取出來時，它會變得硬邦邦，晶瑩剔透，仿佛水晶玻璃制成的工藝品。更為神奇的是，再將它放入水中時，它竟然復(fù)活了，又擺動著輕紗般的尾巴游了起來。低溫-金魚低溫時，金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會變得松散--金屬的“冷脆現(xiàn)象”。錫，鋁、鎂甚至鋼鐵也都怕冷。怕“冷”的金屬只有金屬銅和一些合金（如鋁合金、鈦合金等）不怕低溫。所以對于低溫設(shè)備，如盛液態(tài)空氣，常使用金屬銅作容器1913年，俄羅斯一南極探險隊，由于裝汽油的鐵箱是用錫焊的，一遇低溫，焊錫變成粉末，汽油全部漏光——探險隊全部遇難。之后，凡到南、北極或嚴寒地區(qū)，油箱一律不許用錫焊1938年和1940年，在比利時，先后有兩座鐵橋在嚴寒中轟然坍塌1943年2月，美國紐約附近的一個直徑12米的貯氣罐突然破裂……金屬冷脆帶來的災(zāi)難將液態(tài)空氣灑在地面，由于溫度驟降，使地雷中的金屬彈簧變脆而失去彈性，也不會爆炸應(yīng)用冷脆技術(shù)，不僅可以迅速粉碎那些硬度高、彈性大的材料，還可以控制顆粒大小對于回收廢鋼，在回爐煉鋼前的粉碎一直是個難題。過去用1400°C的電弧來切割，既費力，又污染環(huán)境?，F(xiàn)在利用低溫冷脆技術(shù)，一小時可以粉碎30噸利用金屬“冷脆”現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象將金屬鉛做成一個圓環(huán)，放入接近0K的超低溫中，這時，鉛的電阻消失了！在環(huán)中通上電流，然后截斷電源，將整套裝置密封起來。放置二年后將裝置打開，測量電流強度，發(fā)現(xiàn)幾乎沒有變化！原來，超導(dǎo)環(huán)的電阻為0，因此沒有能量損失，環(huán)中的電流可以幾年、十幾年、幾十年經(jīng)久不衰！1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強度恒為零，且不論對導(dǎo)體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。NN降溫加場邁斯納效應(yīng)：完全抗磁性注：S表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了。邁納斯效應(yīng):磁懸浮這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。超導(dǎo)磁懸浮列車磁懸浮超導(dǎo)磁懸浮列車(Maglev)JapanRailway500km/hr10cmliftLTSmagnets4magnets/cryostat7Wat4K18kmtesttrack導(dǎo)熱系數(shù)非常大熱阻很小粘度很小“噴泉現(xiàn)象”“爬行膜”可以無阻礙的通過極細的狹縫和小孔；并在和任何固體表面接觸時會形成一層薄膜（2×10-5mm）超流氦HeⅡ的特殊現(xiàn)象HeⅡ中的噴泉效應(yīng)

HeⅡ中的“爬行膜現(xiàn)象”

超導(dǎo)應(yīng)用目前世界上的電能約有1/4損耗在輸電線路上，1/4損耗在變壓器上若使用無電阻的超導(dǎo)材料做輸電線路和變壓器，再采用一些絕熱技術(shù)，將實現(xiàn)“無損耗輸電”，等于增加了1倍的發(fā)電量電力傳輸

最近科學(xué)家已設(shè)計制造出實用超導(dǎo)電纜：

利用一種合金氧化物（釔鋇銅氧）制成幾毫米的帶子，纏繞在裝有流動液氮的管子上，再加上幾層絕熱層，一根超導(dǎo)電纜就制成了。 它的輸電能力是銅的30-40倍。超導(dǎo)電纜

研究人員已制造出超導(dǎo)磁體，它無電阻、無熱損耗，易產(chǎn)生強大磁場，且節(jié)省電力：

5萬高斯的強磁場只需幾百瓦功率的電源，過去，一個產(chǎn)生5萬高斯強磁場的磁體重量達20噸，而目前只有幾公斤。超導(dǎo)磁體高速計算機的散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題而超導(dǎo)計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻的超導(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。超導(dǎo)計算機核能包括裂變能和聚變能。裂變是重金屬元素的質(zhì)子通過裂變而釋放的巨大能量，目前已經(jīng)實現(xiàn)商用化。氘氚聚變釋放出大量能量，其燃料氘在地球上幾乎可以說是無窮盡的。聚變反應(yīng)堆不產(chǎn)生污染物質(zhì)，產(chǎn)物沒有放射性，具有接近無限資源的比較理想的能源。聚變能是目前認識到的可以最終解決人類能源和環(huán)境問題的最重要的途徑之一。核聚變磁約束（托卡馬克）摜性約束（激光）核聚變是在近億度的高溫下進行，產(chǎn)生的高熱等離子體，很難找到能承受如此高溫的容器，使得人工受控?zé)岷朔磻?yīng)久久不能實現(xiàn)利用超導(dǎo)磁體可以約束熱核反應(yīng)在其中進行。因為在近億攝氏度的高溫下，氫原子變成了一個個帶電粒子，強大的磁場可以阻止它們外溢超導(dǎo)磁體應(yīng)用是可控?zé)岷司圩冄芯康囊淮沃卮笸黄?，使得磁容器磁約束的連續(xù)穩(wěn)態(tài)運行成為現(xiàn)實如何實現(xiàn)連續(xù)可控核聚變？大體積超導(dǎo)磁體相對于常規(guī)磁體可大大節(jié)約電能，從而提高能量使用的效率。超導(dǎo)磁體的電流密度更高，從而減小裝置的尺寸，節(jié)約投資。現(xiàn)在對于托卡馬克裝置，除了縱場磁體外，極向場磁體也開始采用超導(dǎo)技術(shù)。中國科學(xué)院等離子體物理研究所的EAST裝置和在法國正在建設(shè)中的ITER裝置。超導(dǎo)磁約束ITER:國際熱核聚變實驗堆超導(dǎo)托克馬克裝置裝置中心是高溫氘氚等離子體環(huán)：15MA的等離子體電流，核聚變反應(yīng)功率達50萬kW，每秒釋放多達1000個高能中子。18個大型超導(dǎo)環(huán)向場線圈，將產(chǎn)生5.3T的環(huán)向強磁場。中心是一個巨大的超導(dǎo)線圈筒，在環(huán)向場線圈外側(cè)有6個大型環(huán)向超導(dǎo)線圈。線圈的作用是產(chǎn)生等離子體電流和控制等離子體位形。系統(tǒng)罩于一個低溫杜瓦中，坐落于底座上，構(gòu)成實驗堆本體ITER:超導(dǎo)磁體和低溫系統(tǒng)ITER縱場導(dǎo)體和中心螺管導(dǎo)體采用Nb3Sn，其余導(dǎo)體采用NbTi材料，超導(dǎo)磁體總重量約10130噸所有磁體采用4.5K超臨界氦迫流冷卻，設(shè)計的低溫制冷系統(tǒng)提供55kW制冷量，流量是0.13kg/s。80K的熱輻射屏需要的冷量大約是660kW。整個體系還包括：供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、氚工廠、高真空系統(tǒng)、大型液氮、液氦低溫系統(tǒng)等。其中大型氦低溫技術(shù)和系統(tǒng)是保障ITER裝置可靠工作的前提和基礎(chǔ)，用以支持其內(nèi)部各種大中型超導(dǎo)磁體的運行。ITER：歷史和現(xiàn)狀1987年，美、蘇、歐、日開始ITER設(shè)計1991年，西班牙、法國、日本、加拿大提出申請，日本和法國入圍，加拿大于2003年12月宣布因缺乏資金退出。1999年，美國因自認為在核聚變技術(shù)上領(lǐng)先其他國家，宣布退出，后又因國內(nèi)熱核聚變研究進展緩慢，擔(dān)心被ITER甩下，于2003年2月重新加入。中國也在同日正式入盟2006年6月，在計劃提出20年，選址耗時18年后，ITER的建設(shè)地點終于花落法國南部。歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度、中國共投資100億歐元，開始工程建設(shè)。預(yù)計2016年建成。它將成為世界第一個產(chǎn)出能量大于輸入能量的核聚變裝置，為制造真正的反應(yīng)堆作準備。這是一個事關(guān)世界未來能源安全的重大國際合作項目，其意義不亞于人類基因組計劃和國際空間站。低溫技術(shù)還可以使生命冷藏成為可能前面的金魚凍僵又復(fù)活的實驗生動地告訴我們：生命可以冷藏！但必須是“速凍”才能復(fù)活，如果是緩慢降至超低溫，仍無法復(fù)活冷凍生命因為緩慢降溫時，動物細胞中的水分會結(jié)冰，使體積膨脹，于是細胞壁破裂而死亡。當(dāng)“速凍”至超低溫時，細胞中的水分來不及膨脹，細胞壁也不會破裂，雖然細胞停止了活動，不再進行新陳代謝，一旦溫度上升，生命可以復(fù)活。目前，科學(xué)家正在加緊探索其中的奧秘，尋找一種可以延長人類壽命的新途徑。必須“速凍”1967，美國物理學(xué)家詹姆斯.倍德福身患癌癥，他請醫(yī)生為自己做了“速凍冷藏”處理，經(jīng)8小時處理，將體溫迅速降至-196°C超低溫，然后裝進一個合金鋼器具里，放進一座“冰墓”中，冰墓內(nèi)的溫度保持在-200°C。速凍“冷藏人”現(xiàn)在國外已經(jīng)建有幾座這樣的冰墓，有幾十個“速凍冷藏人”停留者，他們將度過100年甚至幾百年，期待醫(yī)學(xué)發(fā)達可以根治自己的疾病時再復(fù)蘇過來。冰墓設(shè)備先進完全自動管理甚至不怕停電和地震等災(zāi)害20萬美元/每具速凍“冷藏人”的安全性和價格首先，“速凍冷藏”處置必須在生前活著時去做，實際很難確定，甚至?xí)兄\殺的嫌疑；其次，對“冰墓”中的人如何稱呼？委婉地稱其為“患者”，事實上已停止心跳和呼吸，與普通患者完全不同；最后，100年或幾百年后，他的后代是否會同意”老祖宗”再復(fù)活“重返人間”呢？這些涉及法律和道德上的新問題也是現(xiàn)代新科技為人類帶來的新問題。對生命速凍的看法低溫應(yīng)用研究進展美國能源部2003年11月公布了二十年中長期大科學(xué)工程發(fā)展規(guī)劃，共28項，擬投資120億美元。這些大工程項目中的80％是以低溫與超導(dǎo)技術(shù)為工程基礎(chǔ)的。

“這些大科學(xué)工程將使科學(xué)發(fā)生革命，使美國科學(xué)位于世界前沿，將會產(chǎn)生重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，對人類社會做出重大貢獻”SpencerAbraham(美國能源部長)美國能源部20年大科學(xué)工程發(fā)展規(guī)劃28個項目RHICatBNL4milescircumferenceSMworkingat4.5KLHCatCERN

歐洲粒子物理研究中心4.3km 4.3kmradius,27kmcircumference,100mundergroundLHC:采用超流氦(1.8K)冷卻的超導(dǎo)磁體LHCPhysicsAtlasdetectorDiameter:25mBarreltoroidlength:26mChamberspan:46mOverallweight:7000TA

ToroidalLHCApparatusATLASGroup151Institutionsfrom35Countries2200Physicists空間和軍事技術(shù)火箭推進劑：液氧、液氫。液氫液氧發(fā)動機推力比煤油液氧強大約30%，已用于土星5號運載火箭完成登月任務(wù)。美國單臺氫氧發(fā)動機推力已超過2MN。液固氫混合物（氫漿或膠氫）空間設(shè)備的地面模擬試驗：航天器地面試驗需要模擬空間的冷黑和高真空環(huán)境，也包括發(fā)動機大量高溫排氣的處理以保持實驗艙環(huán)境的問題

空間紅外遙感遙測:光電子器件在低溫下,熱噪聲低、靈敏度高、運行速度快低溫液體火箭推進

Ariane5(25tH2,130tO2)低溫液體火箭推進

航天飛機(100tH2,600tO2)AMS-02采用工作在超流氦溫度(1.8K)下的超導(dǎo)磁替代AMS-01的永磁體，AMS-02探測器的靈敏度大大提高（6倍以上）探索暗物質(zhì)探索反物質(zhì)AMS-2orbitdevelopmentfuture空間遠紅外