低温制冷技术新发展

低温制冷技术新发展

巨永林

上海交通大学

制冷与低温工程研究所

Institute of Refrigeration and Cryogenics

主要内容

1 国际大科学工程项目简介

2 高能粒子加速器和探测器

3 国际热核反应实验堆(ITER)

4 空间红外探测

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1 国际大科学工程

9投资大（30-120亿美元）

9时间长（10-20年）

9国际合作（十几-上百个国家）Institute of Refrigeration and Cryogenics

美国能源部20年大科学工程发展规划

美国能源部2003年11月公布了二十年中长期大科学工程发展规划，共28项，拟投资120亿美元。这些大工程项目中的80％是以低温与超导技术为工程基础的。

“这些大科学工程将使科学发生革命，使美国科学位于世界前沿，将会产生重大科学发现，对人类社会做出重大贡献”Spencer Abraham (美国能源部长)

28个项目

•Spallation Neutron Source (散裂中子源)•ITER (国际热核聚变实验)

•Joint Dark Energy Mission（联合暗能量计划）•NSLS upgrade（同步辐射光源-升级计划）•Free Electron Laser（自由电子激光器）•RHIC-B（相对重离子对撞机-B计划）

•e-RHIC（电子-相对重离子对撞机）

•Double Beta Decay（双Beta衰变）

•Super Neutrino Beam（超级中微子束）•Fusion Energy Contingency（聚变能约束）•BTeV（千亿电子伏特加速器）

•ILC（国际直线加速器）

•……

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2 高能粒子加速器

•物质微观结构：研究的物质结构越深入，所需要的能量也越高

•高能粒子加速器（对撞机）可以把微观物质（如质子和电子等）加速到很高的速度，使它们得到很高的能量

•进而进入所要研究的微观物质或粒子内部，或将这些微观物质轰击成碎片，以便研究其内部构造

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如何加速高能粒子？

•为使粒子束能沿闭合环行的轨道上运转加速，必须施加强大的磁场来引导和约束粒子运动。•早期的加速器采用常规电磁体来产生磁场，体积大、耗电量大。由于粒子运动时的偏转角度与粒子的能量、磁场强度和磁场空间大小有关，粒子能量越大，越不易偏转，因而需要更强的磁场和更大的空间。

•常规磁体因受磁场强度限制，要获得高能量就必须增加加速器半径，从而大大增加加速器的建设费用。

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超导和低温技术

•低温制冷和低温超导技术：在高能加速器的应用是上世纪高能粒子物理领域的重要突破之一，也是当今加速器领域的发展和应用热点。

•原因：超导磁体比常规磁体具有明显优点，例如在环半径相同的情况下，超导加速器能量可相应提高数倍，而且也可大大的降低电能消耗和运行费用。

•对于欧洲粒子物理研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）, 常规磁体耗电能约为超导磁体耗电能的60倍。

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LHC at CERN

大型强子对撞机

4.3 km 4.3 km radius, 26.7 km circumference, 100 m underground

LHC物理目标

¾Search for Higgs boson why do matters have various masses? ¾Physics of top and bottom quarks

¾Search for new physics beyond the SM, including super-symmetry

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LHC 物理

•It will collide beams of protons at an energy of 14TeV (~2TeV at Tevatron)

•Beams of lead nuclei will be also accelerated, smashing together with a collision energy of 1150TeV

•Based on superconducting magnets operated at 1.9K in super-fluid helium bath •Four detectors: ATLAS, CMS, ALICE and LHC-b

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LHC物理Institute of Refrigeration and Cryogenics

LHC:采用超流氦(1.8K)冷却的超导磁体

超导磁体及低温系统

•由1250个场强为8.3T的主二极(偏转)磁体构成，有磁场强度梯度为223T•m-1的主四极(聚焦)磁体400个,分布在周长为26.7km的加速器环上。

•整个环等分为8个区域，每一区域内各个单元由一台制冷功率为18kW/4.5K的氦制冷机通过低温传输线来冷却。•为达到8.3T场强，选用较为成熟的Nb-Ti合金作为超导线材后，基于NbTi合金特性，工作温度只能选定为1.9 K，因此LHC使用的冷却介质是1.8-1.9K的超流氦。

•由于1.8K超流氦所对应的饱和蒸气压非常低而所需的流量又非常大，使用多级液体压缩机来实现制冷循环。由

Linde和Air Liquide提供。

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