低温与科学技术.docx

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1、低温与科学技术冷冻方法可以长期保存食物，城市需要冷库，家庭拥有冰箱，空调设备使人们在炎热夏天变得舒适对大多数人已不陌生，这些都属于普冷技术范畴。低温技术是指温度低于零下150度的领域。由于低温与科学研究和许多高新技术相关，下面分别叙述。科学研究低温物理学是涉及低温学现象和相关物理学研究，本身就是一门获15项以上诺贝尔奖的年轻学科。人们比较熟悉有冯.德.瓦尔斯填实气体定律提出者），卡曼林.昂内斯（氮液化和超导电性发现者），巴丁、库柏、施瑞弗（提出超导电性BCS理论），约瑟夫逊（发现超导隧道效应者）和李政道、杨振宁等人。低温技术为物理学研究开辟了广阔的天地。1956年哥伦比亚大学吴健雄博士利用刺*

2、磁体和0.0IK低温条件，测定谢性钻60放射出来电子在原子核自旋方向的分布，验证李政道和杨振宁博士提出的弱相互作用下宇称不守恒的观点，打破了物理学的一条基本规律“宇称守恒定律”。1911年荷兰莱顿大学教授卡曼林昂内斯在夜氮温度发现了水银的超导电性（电流在导体内无电阻流动），人们首先想到用超导材料制造电磁体，但遗憾的是几乎所有超导纯金属在2000高斯磁场时失去超导电性。直到1970年代，才制造出在液氮温度（4.2K）能产生512万高斯强磁场实用的银钛合金和银三锡金属化合物超导材料。用钛铁硼永磁材料可产生数千高斯大体积稳态磁场而不消耗电能;用电磁铁（铜/铝线圈+导磁材料）能经济地产生8000150

3、00高斯小体积的磁场;要产生高于15000高斯磁场或大体积磁场，不得不大大增吨能消耗。如果要求的磁场工作孔径较小（32mm）;则水冷比特线圈可以产生25万高斯稳态强磁场，但耗电10兆瓦。要产生大体积稳态强磁场还得求助于超导磁体。在20世纪后30多年中，人们为高能粒子物理研究建造了巨大的氢泡室，让碰撞后的高能粒子通过充满液氢的容器，由于沿粒子轨迹使夜体气化，从而可拍摄记录粒子的轨迹。如果再施加兹场使粒子偏转，则从粒子速度和曲率半径算出粒子的质里。泡室曾为多种基本粒子的发现作出了贡献。大型超导探测器磁体，直径和长度都达数米。所有超导磁体都运行在液氮温度。超导加速器的*大优点是大大缩小加速器尺寸和节

4、省运行费,如果用常规的电磁铁产生磁场5万高斯，则电力消耗大得惊人;这样要提高加速器的*高能里，要么加大周长尺寸，要么明细增加电力消耗；由于超导磁体没有电阻，可以产生5万高斯以上大体积磁场，而并不需要巨大功率电源，从而减少了运行费。超导直线加速器可以避免电子回旋加速器的能里辐射，不需要弯转磁体，但它需要大里超导微波谐辰腔使粒子束提高能量，超导锹皆振腔需要用夜氮或超流氮冷却。总之,低温超导技术为高能物理研究提供了强大的技术支撑。低温为化学研究提供了独特领或，在室温或高温下由于分子运动速度快，化学反应的中间过程细节难以捕捉。低温使反应速度欣慢,从而有机会搞清反应过程的细节，并人为地控制化学反应的进程

5、，为理论化学作出了宝贵贡献。在低温化学实验室，利用可控制的自由基合成出新的有机化合物，而自由基的制职、保存和有控制地参与化学反应都是在4K-20OK低温进行的。自由基是在分子分裂时产生的、含有单独未酎拍电子，因此性质非常活发，在室温下存在时间很短（百万分之一秒）。低温也生物学研究开辟了广阔天地。低温曾使一些生物的生存遭到过威胁,但又使它们的生存获得保障和延续。低温可以抑制数目过程，在低温下生命活动暂停或延缓，当温度回升后有机体的生理机能仍然有可能恢复原来的活力。试验证明，在夜氮温度下保存血液可长达21年。在畜牧业已普遍推广使用的种牛的精*在液氮中可长期冷冻保存。准备移植的人体器官先要经过特殊的

6、冷藏处理，它的物理化学结构都发生了奇妙的变化，这样，移植的组织容易和机体相协调。世界上*二个试管婴儿在受精卵植入母体前冷藏了53天。现在，人类对于面临灭绝的动植物正在建立基因库,显然基因库必需在夜氮低温下行。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氛和敬的聚变能相当于300公斤汽油。而笊和瓶的自持核聚变只有在上亿度的高温等离子体内才会发生，唯用强磁场才可能装容（或约束）如此高温物质。因为等离子体里所有带电粒子在磁场内受洛仑兹力作用，沿着磁力线作螺旋运动，具有一定位形的磁场使等离子体不与真空室的器壁接触

7、，而且磁场越强对等离子体约束得约好。如果用铜导体制造的线圈来产生这约束磁场，只能以脉冲的方式工作，否则将消耗非常可观的功率，使核聚变达到能里得失平衡的运行点更加困难，磁约束核聚变装置是超导磁体大规模应用的重要领域之一。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。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*佳选择。此泵可以用液气致

8、冷，也可用微型制冷机供冷。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，从而便于运前，大型运输液化天然气的船泊可装运125000）3（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。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，凄化后的气体必须在绝热良好的容器里保存，容器的重里比起用压力容器装容同等质重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，火箭是人们探索宇审所必需的运载工具。*二次世男大战时发射的火箭已用液氧和酒情或煤油作为燃料,到二十世纪五十年代液氢取代酒精煤油成为火箭燃料，因为它的比冲里比

9、煤油大30%。一架宇宙飞船的推进火箭携带的液氧多达530m液氢1438In:这些低温燃料还起到冷却火箭外壳，使它与大气高速摩提时不被烧蚀。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填中进行试验，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。航空或航天器的设计及实验研究都依赖于风洞试验,超音速飞机和宇航火箭必需在低温风洞内考验。温度越低，声速也越低。所以在

10、低温风洞内有一股极其强大的冷气流吹过试验模型或实物，可以经济地获得比较大的超音速倍数，而这种风洞的液氮消耗重高达454公斤/秒。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。宇航员在太空长期生活离不开氧气，呼吸用的氧气是从地面以液氧的方式带到太空的。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,远红外福射非常非常微弱，探测超宽红外辐射带仪器需要用1.8K超流氮冷却。超导体除了零电阻特性外，另-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所磁力线穿过，或者说磁场排斥超导体

11、。利用这完全抗磁性可以制造无摩擦轴承，制造超导陀螺仪，因为无摩擦轴承傅它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。.工业与交通运输应用气体工业是利用低温技术分离气体，它的原料可以是空气、天然气、炉气或者石油裂化气，其产品是工业生产或科研需要的各种屯度氮气、氧气、氯气、烷燃气体、烯燃气体、氮气和其他稀有气体。传统的制氧方法是将空气压缩并降温到T90度成为液体，然后利用液氮、液氧与其他组分（氮、氯、颊、氮等）气化点差异进行分离。在冶金工业，氧气用于顶吹转炉或电炉；因为炼钢需要大里氧气用以脱碳。在普通板金切割需要消耗氧域氮气，不锈钢的焊接需

12、要氨气保护，避免焊缝氧化。在石油化工工业，氧气用来裂解重油，生产燃烯气,或气化重油、煤粉，制备合成氨原料气。氧气还被用于城市污水处理。氮的化学性质不活泼，可作为保护气、置换气和密封气。食品工业速冻工艺过程消耗相当大里的液氮；口香糖的切片和包装也需要液氮;塑料橡胶制品表面去光亮和油漆颜料的冷却等等都需用液氮。氮是惰性气体，可用作金属冶炼的保护气，也用于不锈钢、铝和其他合金焊接的保护气。在微电子工业晶片制造中，氧也常作保护气。氨、氟、筑、氮等惰性气体在电光源和激光器制造中大有用途。伴随汽车工业的发展，每年有大量的橡胶轮胎报废。为使废轮胎不造成环境污染，又利用废弃资源，工业界利用低温下橡胶、塑料和普

13、通碳钢的脆性进行粉碎处理。在食品和制药业也利用低温粉碎技术。在石油气分离方面，用低温技术分离其中的氢气和其他惰性气体，制取高纯度的乙烯。超导与低温技术在交通运输方面也大有用武之地，在海面或水下超导磁流体推进有许多优点，因为它依靠超导磁体产生的强磁场，当垂直于磁场方向经海水通以电流时产生了强大推力。这种推进方法不依赖运动机械，因此噪音小,推力平稳，使声纳难以侦察。生产优*陶瓷制品和印刷精美画册都需要高品质高岭,当天然高岭土矿中往往含有黄色氧化铁。利用超导高梯颜磁场可以将这些杂质分离，获得高品质高岭土。此外超导磁分离技术还可以用于燃煤发电厂分离煤中的硫，以减少对锅炉和周围环境的污染。在工业污水处理

14、中也可用超导磁分离技术去除弱性颗粒物。低温真空技术利用低温获得高真空是十分有效的技术，当温度降到要下260度以下时，除氮以外其他气体都凝结成固体，因此低温泵是抽速非常高的泵，可高达1OTOW/s;而且又非常清洁。低温真空技术不仅在宇宙环境模拟和核聚变研究发挥重要作用，在微电子器件制造、冷东干燥和真空冶金等方面获得了广泛应用。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霜用38-80K微型制冷机来提高微弱信号的声噪比，如气象卫里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仪，用于测定物质比辐射宇宙星体构造的内红外分光光度仪；探测地层中矿藏分布和资源的红外多光谱扫描仪，防空预警系统中导弹制导系统的红外探测器。在低温下利用约瑟夫逊效应里子器件可精确地测量极微弱磁场变化，有人已将约瑟夫逊效应记录人的脑磁图，用来诊断某些疾*o也有人利用超导微电子器件制造速电度更快的计算机。所有超导电子器件都以超导隧道效应为基础，已发展成一门前景灿烂的学科。