低溫技術及其應用巨永林

上海交通大學制冷與低溫工程研究所機械與動力工程學院A樓412yju@低溫現象（自然的，人造的）低溫技術應用：科學、工程主要內容低溫學：研究低溫的科學和技術低溫技術：如何獲得和維持低溫教材：

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

第三章氣體液化系統(4學時)

第四章氣體分離及純化系統(4學時)

第五章小型低溫制冷機(4學時+2學時實驗)

第六章低溫貯運設備(4學時)

第七章真空技術及真空泵(4學時+2學時實驗)

第八章低溫測量系統(4學時)教學安排低溫UniverseandNature溫度計低溫制冷極低溫溫度計通過123K(-150℃)來分界溫區高于123K為制冷（Refrigeration），又稱普冷；空調Air-Conditioning是制冷技術在其最高溫區的應用低于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和傳遞過程低溫制冷裝置低溫生物和低溫醫療食品冷凍和保存低溫儲存低溫運輸空調熱泵、冷能利用國際制冷學會（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？低溫學研究低溫的科學和技術原理研究如何獲得和維持低溫的科學和技術原理根據在不同的低溫溫度區域，獲得低溫的方法及研究對象，又可把制冷技術分為普冷技術和深冷技術。習慣上把普冷技術稱為制冷技術，把深冷技術稱為低溫技術。獲得低溫的方式有很多，主要是相變制冷和節流膨脹制冷。低溫制冷技術超導(無電阻、完全抗磁性)。雖然超導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象，使物質性質發生奇特的變化，成為物理學前沿研究不可或缺的手段超流。液氦II表現出幾乎為0的流動阻力和一些奇妙現象高能物理。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

早期的Nobel物理學獎S.BoseKamerlinghOnnesEinstein近期的Nobel物理學獎日常的低溫現象空氣在-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，輕敲會發出“叮當”聲，重敲會破碎低溫下的空氣低溫-性質將一條金魚放入液態空氣中，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，金屬的內部結構會變得松散--金屬的“冷脆現象”。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。所以對于低溫設備，如盛液態空氣，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，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……金屬冷脆帶來的災難將液態空氣灑在地面，由于溫度驟降，使地雷中的金屬彈簧變脆而失去彈性，也不會爆炸應用冷脆技術，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，又污染環境。現在利用低溫冷脆技術，一小時可以粉碎30噸利用金屬“冷脆”現象超導現象將金屬鉛做成一個圓環，放入接近0K的超低溫中，這時，鉛的電阻消失了！在環中通上電流，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，發現幾乎沒有變化！原來，超導環的電阻為0，因此沒有能量損失，環中的電流可以幾年、十幾年、幾十年經久不衰！1933年邁斯納發現，超導體一旦進入超導狀態，體內的磁通量將全部被排出體外，磁感應強度恒為零，且不論對導體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導狀態，超導體就把全部磁通量排出體外。NN降溫加場邁斯納效應：完全抗磁性注：S表示超導態N表示正常態在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，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:磁懸浮這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續電流的磁場，與磁鐵之間產生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。超導磁懸浮列車磁懸浮超導磁懸浮列車(Maglev)JapanRailway500km/hr10cmliftLTSmagnets4magnets/cryostat7Wat4K18kmtesttrack導熱系數非常大熱阻很小粘度很小“噴泉現象”“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的特殊現象HeⅡ中的噴泉效應

HeⅡ中的“爬行膜現象”

超導應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材料做輸電線路和變壓器，再采用一些絕熱技術，將實現“無損耗輸電”，等于增加了1倍的發電量電力傳輸

最近科學家已設計制造出實用超導電纜：

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，一根超導電纜就制成了。 它的輸電能力是銅的30-40倍。超導電纜

研究人員已制造出超導磁體，它無電阻、無熱損耗，易產生強大磁場，且節省電力：

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。超導磁體高速計算機的散熱是超大規模集成電路面臨的難題而超導計算機中的超大規模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻的超導器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。超導計算機核能包括裂變能和聚變能。裂變是重金屬元素的質子通過裂變而釋放的巨大能量，目前已經實現商用化。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。聚變反應堆不產生污染物質，產物沒有放射性，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，使得人工受控熱核反應久久不能實現利用超導磁體可以約束熱核反應在其中進行。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磁體應用是可控熱核聚變研究的一次重大突破，使得磁容器磁約束的連續穩態運行成為現實如何實現連續可控核聚變？大體積超導磁體相對于常規磁體可大大節約電能，從而提高能量使用的效率。超導磁體的電流密度更高，從而減小裝置的尺寸，節約投資。現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技術。中國科學院等離子體物理研究所的EAST裝置和在法國正在建設中的ITER裝置。超導磁約束ITER:國際熱核聚變實驗堆超導托克馬克裝置裝置中心是高溫氘氚等離子體環：15MA的等離子體電流，核聚變反應功率達50萬kW，每秒釋放多達1000個高能中子。18個大型超導環向場線圈，將產生5.3T的環向強磁場。中心是一個巨大的超導線圈筒，在環向場線圈外側有6個大型環向超導線圈。線圈的作用是產生等離子體電流和控制等離子體位形。系統罩于一個低溫杜瓦中，坐落于底座上，構成實驗堆本體ITER:超導磁體和低溫系統ITER縱場導體和中心螺管導體采用Nb3Sn，其余導體采用NbTi材料，超導磁體總重量約10130噸所有磁體采用4.5K超臨界氦迫流冷卻，設計的低溫制冷系統提供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、供水系統、氚工廠、高真空系統、大型液氮、液氦低溫系統等。其中大型氦低溫技術和系統是保障ITER裝置可靠工作的前提和基礎，用以支持其內部各種大中型超導磁體的運行。ITER：歷史和現狀1987年，美、蘇、歐、日開始ITER設計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上領先其他國家，宣布退出，后又因國內熱核聚變研究進展緩慢，擔心被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。預計2016年建成。它將成為世界第一個產出能量大于輸入能量的核聚變裝置，為制造真正的反應堆作準備。這是一個事關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。低溫技術還可以使生命冷藏成為可能前面的金魚凍僵又復活的實驗生動地告訴我們：生命可以冷藏！但必須是“速凍”才能復活，如果是緩慢降至超低溫，仍無法復活冷凍生命因為緩慢降溫時，動物細胞中的水分會結冰，使體積膨脹，于是細胞壁破裂而死亡。當“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，生命可以復活。目前，科學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，美國物理學家詹姆斯.倍德福身患癌癥，他請醫生為自己做了“速凍冷藏”處理，經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，冰墓內的溫度保持在-200°C。速凍“冷藏人”現在國外已經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，期待醫學發達可以根治自己的疾病時再復蘇過來。冰墓設備先進完全自動管理甚至不怕停電和地震等災害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，甚至會有謀殺的嫌疑；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”再復活“重返人間”呢？這些涉及法律和道德上的新問題也是現代新科技為人類帶來的新問題。對生命速凍的看法低溫應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工程發展規劃，共28項，擬投資120億美元。這些大工程項目中的80％是以低溫與超導技術為工程基礎的。

“這些大科學工程將使科學發生革命，使美國科學位于世界前沿，將會產生重大科學發現，對人類社會做出重大貢獻”SpencerAbraham(美國能源部長)美國能源部20年大科學工程發展規劃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)冷卻的超導磁體LHCPhysicsAtlasdetectorDiameter:25mBarreltoroidlength:26mChamberspan:46mOverallweight:7000TA

ToroidalLHCApparatusATLASGroup151Institutionsfrom35Countries2200Physicists空間和軍事技術火箭推進劑：液氧、液氫。液氫液氧發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。美國單臺氫氧發動機推力已超過2MN。液固氫混合物（氫漿或膠氫）空間設備的地面模擬試驗：航天器地面試驗需要模擬空間的冷黑和高真空環境，也包括發動機大量高溫排氣的處理以保持實驗艙環境的問題

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）探索暗物質探索反物質AMS-2orbitdevelopmentfuture空間遠紅外