《低温技术与其应用》的小论文(段江盛 200902050215)

《低温技术及其应用》小论文

题目：低温技术及其应用

院－系：理学院物理系

专业：物理学

年级：2009级

学生姓名：段江盛

学号：200902050215

任课教师：闵琦

低温技术及其应用

（段江盛，理学院，09级物理系，200902050215）

摘要：通过分析低温的概念的引入，从理论上来讨论低温，并论证实验上低温的实现，简要说明低温的发展和讨论低温在各个领域的应用及其发展。

关键词：低温的技术；低温的产生；低温的应用；磁冷却法

引言：低温技术不仅与人们当代高质量生活息息相关，同时与世界上许多尖端科学研究(诸

如超导电技术、航天与航空技术、高能物理、受控热核聚变、远红外探测、精密电磁计量、生物学和生命科学等)密不可分。在超低温条件下，物质的特性会出现奇妙的变化：空气变成了液体或固体；生物细胞或组织可以长期贮存而不死亡；导体的电阻消失了——超导电现象而磁力线不能穿过超导体——完全抗磁现象；液体氦的黏滞性几乎为零——超流现象，而导热性能比高纯铜还好。下面我将主要介绍低温奇迹、低温技术的应用和低温是如何产生的。

1低温世界的现象

1.1低温的世界就像童话里的世界，各种物质在低温下会呈现奇特的景象：在-190℃以下的低温下：空气会变成浅蓝色的液体，叫做“液态空气”；若把梨子在液态空气里浸过，它会变得像玻璃一样脆：石蜡在液态空气里，像萤火虫一样发出荧光。如果把鸡蛋放进-190℃的盒子中，能产生浅蓝色的荧光，摔在地上会像皮球一样弹起。在-100℃到-200℃的环境里，汽油、煤油、水银、酒精都会变成硬邦邦的固体；二氧化碳则变成了雪白的结晶体，平时富有弹性的橡皮变得很脆，钢铁也变成了“豆腐”；酒精会变得像石头一样硬，塑料会像玻璃一样脆；鲜艳的花朵会像玻璃一样亮闪闪，轻轻地一敲，发出“叮当”响。从鱼缸捞出一条金鱼放进-190℃的液体中，金鱼就变得硬梆梆，晶莹透明，仿佛水晶玻璃制成的工艺品，再将这“玻璃金鱼”放回鱼缸的水中，金鱼又复活了。

低温处理过的鸡蛋

低温处理过的金鱼

1.2超导与超流：随着温度降低，室温时的气态物质可以转化成液态、固态。如果升高温度(数百万度)，气态可以转化为等离子态，所有原子和分子游离成带电的电子和正离子，人们称等离子态为物质的第四态。一些金属、合金、金属间化合物和氧化物，当温度低于临界温度时出现超导电性(即零电阻现象)和完全抗磁性(把磁力线完全排除出体外现象)。液氦温度低于零下271度时还出现超流现象，液体的黏滞度几乎为零，杯子内的液氦会沿器壁爬到杯子下面，液体的传热系数比铜还好。上述两种现象可称为超导态和超流态，人们把超导态和超流态称为物质的第五态。

2实验室获取低温的方法

实验室中获得低温常用的方法有液化气体冷却法和磁冷却法。

液化气体冷却法可以获得低至1K的低温。目前常用节流过程或者节流过程与绝热膨胀相结合的方法来液化气体。令气体在制冷区节流膨胀可使气体降温。用节流过程制冷有两个优点，一是装置没有移动的部分，低温下移动部分的润滑是技术上十分困难的问题；二是在一定的压强降落下，温度愈低所获得的温度降落愈大。焦汤效应的典型大小是10-1K~1K·p n-1。为了使气体的温度降至临界温度以下而液化，可以令节流过程重复进行，并通过逆流热交换器使经节流膨胀降温后的气体对后来进入的气体进行预冷，从而把各次节流膨胀所获得的冷却效应积累起来。但是用节流过程降温，气体的初温必须低于反转温度，是一个缺点。而气体经绝热膨胀后温度总是降低的，因此用绝热膨胀过程降温不必经过预冷，缺点是膨胀机有移动的部分，而且温度愈低降温效应愈小。卡皮查将绝热膨胀过程和节流过程结合使用。先用绝热膨胀过程使氦降温到反转温度以下，再用节流过程将氦液化。1p n下氦的沸点是4.2K。用抽气机将氦的蒸汽抽走，使液氦迅速蒸发或低压沸腾可进一步降温。不过氦的饱和蒸汽压随温度降低而迅速减小，降温效应随之下降。用这种方法一般可以获得低至1K的低温。

产生1K以下低温的一个有效方法是磁冷却法。这是德拜在1926年提出来的。在绝热过程中顺磁性固体的温度随磁场减小而下降。将顺磁体放在装有低压氦气的容器内，通过低压氦气与液氦的接触而保持在1K左右的低温，加上磁场（量级为10^6A/m）使顺磁体磁化，磁化过程时放出的热量由液氦吸收，从而保证磁化过程是等温的。顺磁体磁化后，抽出低压氦气而使顺磁体绝热，然后准静态地使磁场减小到很小的值（一般为零）。在这绝热过程中，顺磁体的熵保持不变，其状态由图3的b点变到c点，温度将为T f。

图2

图3

利用固体中顺磁离子的绝热去磁效应可以产生1K以下至mK（10-3K）量级的低温。

20世纪80年代发展了一种新的制冷方法——激光制冷，应用这种方法在20世纪90年代中期获得了低至170nK的低温。

3低温的产生

现代的制冷技术最普遍的方法是消耗消耗机械功来制取冷量。压缩机先把制冷工质(可以是氨、氟里昂、空气、氢气、氦气或其他气体)压缩，用冷却水或风冷把压缩气体的发热带走；经换热器预冷后的压缩气体工质经膨胀机膨胀降温制冷或通过节流阀降温。用氨作为制冷工质，最冷能达到零下33.5℃，用氟里昂-14最低能达零下128℃。最低温度是以制冷工质的凝固点为限，用氦气作为制冷工质可以达到零下271℃。

1823年英国科学家法拉第采用加压与冷却方法液化了二氧化碳，1877年利用同样方法使氧气液化，1885年德国科学家林德利用气体的狭口膨胀效应发展制冷技术，达到零下

190℃使空气液化；随后又实现了氮气和氢气的液化，1908年荷兰科学家荷兰科学家卡曼林-昂内斯液化了温度最低的氦气。

科学技术的发展出现了其他制冷方法，诸如半导体温差制冷，涡流管制冷，吸收式制冷，脉冲管制冷，太阳能光-电转换制冷和光-热转换制冷等等；在极低温领域还有3He-4He的稀释制冷(可达绝对温度10-3K)，顺磁盐绝热去磁制冷(可达10-3K温度)和核去磁制冷(可达到

10-6-10-8K低温)等方法。

4 低温的应用

4.1能源研究与技术：能源是人类社会赖以存在和发展的基础，开发受控热核聚变能曾被认为是彻底解决人类能源的根本途径，因为每公升海水含有的氢同位素氘和氚的聚变能相当于300公斤汽油。聚变实验装置装容等离子体的真空室在放电前要求很高真空度，采用低温泵是最佳选择。此泵可以用液氦致冷，也可用微型制冷机供冷。目前世界上运行的高温气冷裂变堆用氦气作为传热工质，据说为纯化氦气每年得花费100万美元的液氮。

在能源技术领域超导磁体和超导技术还有更广泛用途，如超导电动机和超导发电机、超导电感电力贮能、超导变压器、超导电力传输线，上述超导电力工程应用是利用超导的零电阻特性来提高效率，多数已有样机投入试运行；而用高温超导材料制造的故障电流限制器则利用超导材料的临界特性和其失超后电阻变化很大的原理。

天然气是当前主要能源之一，当它降温至零下162度时变成液体，体积缩小约640倍，从而便于运输，大型运输液化天然气的船泊可装运125,000m3(5万吨级)。天然气的液化、液化天然气的贮存和运输可谓是大型低温工程。

4.2航空与航天技术：低温使室温下气体转化成液体，气体液化后其密度增加几百倍，液化后的气体必须在绝热良好的容器里保存，容器的重量比起用压力容器装容同等质量的气体方法要减轻许多。因此液氧和液氢常常作为推进火箭使用的燃料，火箭是人们探索宇宙所必需的运载工具。第二次世界大战时发射的火箭已用液氧和酒精或煤油作为燃料，到二十世纪五十年代液氢取代酒精/煤油成为火箭燃料，因为它的比冲量比煤油大30%。一架宇宙飞船的推进火箭携带的液氧多达530m3，液氢1438m3。这些低温燃料还起到冷却火箭外壳，使它与大气高速摩擦时不被烧蚀。有人研究用液氢与甲烷固液混合物作为近音速和远超音速飞机的燃料，因为低温燃料可以冷却飞机表面。

广漠无际的宇宙空间是高真空极低温环境，在飞船上天之前必需在模拟环境中进行试验，这对于保证宇宙飞船的安全十分重要。这人工的空间模拟环境的获得必需依靠低温技术，低温技术不仅使巨大的模拟器(数百立方米容积真空罐)内达到足够低的温度，还利用低温泵原理获得高真空。

超导磁悬浮技术的一个可能应用领域是航天器的发射，使它在离开地面时已具有很高的速度，因为这加速由地面供给能源，从而减少了火箭需携带的燃料。

太空探测仪器要求低温致冷，因为太空深处的温度低达 3.5K，远红外辐射非常非常微弱，探测超宽红外辐射带仪器需要用1.8K超流氦冷却。

超导体除了零电阻特性外，另一个奇妙特性是完全抗磁性。无论是超导线绕成的闭合线圈或块状超导材料都排斥磁力线穿过，或者说磁场排斥超导体。利用这完全抗磁性可以制造无摩擦轴承，制造超导陀螺仪，因为无摩擦轴承使陀螺仪以每分钟几万转速度高速旋转，无论航空器或航天器的飞行如何方向变化，超导陀螺仪的旋转轴指向保持不变。

4.3低温/超导电子学

低温能降低电子器件的噪声，在远红外探测技术必需用38~80K微型制冷机来提高微弱信号的声噪比，如气象卫星上用来测定海水表面层温度分布、云层分布及温度的红外辐射