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低溫技術(shù)及其應(yīng)用

來(lái)源:北京中精儀科技有限公司   2016年04月19日 15:38  

          低溫技術(shù)及其應(yīng)用

關(guān)鍵詞:低溫奇跡,低溫技術(shù),,低溫的產(chǎn)生

1,、引言

低溫技術(shù)不僅與人們當(dāng)代高質(zhì)量生活息息相關(guān),同時(shí)與世界上許多科學(xué)研究(諸如超導(dǎo)電技術(shù),、航天與航空技術(shù),、高能物理,、受控?zé)岷司圩?、遠(yuǎn)紅外探測(cè),、精密電磁計(jì)量、生物學(xué)和生命科學(xué)等)密不可分,。在超低溫條件下,,物質(zhì)的特性會(huì)出現(xiàn)奇妙的變化:空氣變成了液體或固體;生物細(xì)胞或組織可以長(zhǎng)期貯存而不死亡,;導(dǎo)體的電阻消失了——超導(dǎo)電現(xiàn)象而磁力線不能穿過(guò)超導(dǎo)體——*抗磁現(xiàn)象,;液體氦的黏滯性幾乎為零——超流現(xiàn)象,而導(dǎo)熱性能比高純銅還好,。下面我將主要介紹低溫奇跡,、低溫技術(shù)的應(yīng)用和低溫是如何產(chǎn)生的。

2,、低溫世界的奇跡

低溫的世界就像童話里的世界,,各種物質(zhì)在低溫下會(huì)呈現(xiàn)奇特的景象:在-190以下的低溫下:空氣會(huì)變成淺藍(lán)色的液體,叫做“液態(tài)空氣”,;若把梨子在液態(tài)空氣里浸過(guò),,它會(huì)變得像玻璃一樣脆:石蠟在液態(tài)空氣里,像螢火蟲一樣發(fā)出熒光,。如果把雞蛋放進(jìn)-190的盒子中,能產(chǎn)生淺藍(lán)色的熒光,,摔在地上會(huì)像皮球一樣彈起,。在-100到-200的環(huán)境里,汽油,、煤油,、水銀,、酒精都會(huì)變成硬邦邦的固體;二氧化碳則變成了雪白的結(jié)晶體,,平時(shí)富有彈性的橡皮變得很脆,,鋼鐵也變成了“豆腐”;酒精會(huì)變得像石頭一樣硬,,塑料會(huì)像玻璃一樣脆,;鮮艷的花朵會(huì)像玻璃一樣亮閃閃,輕輕地一敲,,發(fā)出“叮當(dāng)”響,。從魚缸撈出一條金魚放進(jìn)-190的液體中,金魚就變得硬梆梆,,晶瑩透明,,仿佛水晶玻璃制成的工藝品,再將這“玻璃金魚”放回魚缸的水中,,金魚說(shuō)不定會(huì)復(fù)活,。

⑵超導(dǎo)與超流:隨著溫度降低,室溫時(shí)的氣態(tài)物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化成液態(tài),、固態(tài),。如果升高溫度(數(shù)百萬(wàn)度),氣態(tài)可以轉(zhuǎn)化為等離子態(tài),,所有原子和分子游離成帶電的電子和正離子,,人們稱等離子態(tài)為物質(zhì)的第四態(tài)。一些金屬,、合金,、金屬間化合物和氧化物,當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)電性(即零電阻現(xiàn)象)和*抗磁性(把磁力線*排除出體外現(xiàn)象),。液氦溫度低于零下271度時(shí)還出現(xiàn)超流現(xiàn)象,,液體的黏滯度幾乎為零,杯子內(nèi)的液氦會(huì)沿器壁爬到杯子下面,,液體的傳熱系數(shù)比銅還好,。上述兩種現(xiàn)象可稱為超導(dǎo)態(tài)和超流態(tài),人們把超導(dǎo)態(tài)和超流態(tài)稱為物質(zhì)的第五態(tài),。

我的猜想:低溫世界竟有這么多的奇跡,,這也許可以促使人們?cè)诘蜏叵逻M(jìn)行特種物質(zhì)的合成或者進(jìn)行一些常溫下難以進(jìn)行的科學(xué)研究。如果在低溫環(huán)境可以更簡(jiǎn)單的達(dá)到,,那么也許就會(huì)*改變我們這個(gè)世界的現(xiàn)貌,,引發(fā)另一次的技術(shù)革命。

3,、低溫在工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

⑴能源研究與技術(shù):能源是人類社會(huì)賴以存在和發(fā)展的基礎(chǔ),,開(kāi)發(fā)受控?zé)岷司圩兡茉徽J(rèn)為是*解決人類能源的根本途徑,,因?yàn)槊抗K械臍渫凰仉碗暗木圩兡芟喈?dāng)于300公斤汽油。聚變實(shí)驗(yàn)裝置裝容等離子體的真空室在放電前要求很高真空度,,采用低溫泵是*選擇,。此泵可以用液氦致冷,也可用微型制冷機(jī)供冷,。目前世界上運(yùn)行的高溫氣冷裂變堆用氦氣作為傳熱工質(zhì),,據(jù)說(shuō)為純化氦氣每年得花費(fèi)100萬(wàn)美元的液氮。

在能源技術(shù)領(lǐng)域超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)技術(shù)還有更廣泛用途,,如超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)和超導(dǎo)發(fā)電機(jī),、超導(dǎo)電感電力貯能、超導(dǎo)變壓器,、超導(dǎo)電力傳輸線,,上述超導(dǎo)電力工程應(yīng)用是利用超導(dǎo)的零電阻特性來(lái)提率,多數(shù)已有樣機(jī)投入試運(yùn)行,;而用高溫超導(dǎo)材料制造的故障電流限制器則利用超導(dǎo)材料的臨界特性和其失超后電阻變化很大的原理,。

天然氣是當(dāng)前主要能源之一,當(dāng)它降溫至零下162度時(shí)變成液體,,體積縮小約640倍,,從而便于運(yùn)輸,大型運(yùn)輸液化天然氣的船泊可裝運(yùn)125,000m3(5萬(wàn)噸級(jí)),。天然氣的液化,、液化天然氣的貯存和運(yùn)輸可謂是大型低溫工程。

⑵航空與航天技術(shù):低溫使室溫下氣體轉(zhuǎn)化成液體,,氣體液化后其密度增加幾百倍,,液化后的氣體必須在絕熱良好的容器里保存,容器的重量比起用壓力容器裝容同等質(zhì)量的氣體方法要減 輕許多,。因此液氧和液氫常常作為推進(jìn)火箭使用的燃料,,火箭是人們探索宇宙所必需的運(yùn)載工具。第二次世界大戰(zhàn)時(shí)發(fā)射的火箭已用液氧和酒精或煤油作為燃料,,到二十世紀(jì)五十年代液氫取代酒精/煤油成為火箭燃料,,因?yàn)樗谋葲_量比煤油大30%。一架宇宙飛船的推進(jìn)火箭攜帶的液氧多達(dá)530m3,,液氫1438m3,。這些低溫燃料還起到冷卻火箭外殼,使它與大氣高速摩擦?xí)r不被燒蝕,。有人研究用液氫與甲烷固液混合物作為近音速和遠(yuǎn)超音速飛機(jī)的燃料,,因?yàn)榈蜏厝剂峡梢岳鋮s飛機(jī)表面。

廣漠無(wú)際的宇宙空間是高真空極低溫環(huán)境,在飛船上天之前必需在模擬環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn),,這對(duì)于保證宇宙飛船的安全十分重要。這人工的空間模擬環(huán)境的獲得必需依靠低溫技術(shù),,低溫技術(shù)不僅使巨大的模擬器(數(shù)百立方米容積真空罐)內(nèi)達(dá)到足夠低的溫度,,還利用低溫泵原理獲得高真空。

超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的一個(gè)可能應(yīng)用領(lǐng)域是航天器的發(fā)射,,使它在離開(kāi)地面時(shí)已具有很高的速度,,因?yàn)檫@加速由地面供給能源,從而減少了火箭需攜帶的燃料,。

太空探測(cè)儀器要求低溫致冷,,因?yàn)樘丈钐幍臏囟鹊瓦_(dá)3.5K,遠(yuǎn)紅外輻射非常非常微弱,,探測(cè)超寬紅外輻射帶儀器需要用1.8K超流氦冷卻,。

超導(dǎo)體除了零電阻特性外,另一個(gè)奇妙特性是*抗磁性,。無(wú)論是超導(dǎo)線繞成的閉合線圈或塊狀超導(dǎo)材料都排斥磁力線穿過(guò),,或者說(shuō)磁場(chǎng)排斥超導(dǎo)體。利用這*抗磁性可以制造無(wú)摩擦軸承,,制造超導(dǎo)陀螺儀,,因?yàn)闊o(wú)摩擦軸承使陀螺儀以每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)速度高速旋轉(zhuǎn),無(wú)論航空器或航天器的飛行如何方向變化,,超導(dǎo)陀螺儀的旋轉(zhuǎn)軸指向保持不變,。

⑶低溫/超導(dǎo)電子學(xué)

低溫能降低電子器件的噪聲,在遠(yuǎn)紅外探測(cè)技術(shù)必需用38~80K微 型制冷機(jī)來(lái)提高微弱信號(hào)的聲噪比,,如氣象衛(wèi)星上用來(lái)測(cè)定海水表面層溫度分布,、云層分布及溫度的紅外輻射儀,用于測(cè)定物質(zhì)比輻射率以確定宇宙星體構(gòu)造的紅外 分光光度儀,;探測(cè)地層中礦藏分布和資源的紅外多光譜掃描儀,。在低溫下利用約瑟夫遜效應(yīng)量子器件可地測(cè)量極微 弱磁場(chǎng)變化,有人已將約瑟夫遜效應(yīng)記錄人的腦磁圖,,用來(lái)診斷某些疾病,。也有人利用超導(dǎo)微電子器件制造速度更快的計(jì)算機(jī)。所有超導(dǎo)電子器件都以超導(dǎo)隧道效應(yīng) 為基礎(chǔ),,已發(fā)展成一門前景燦爛的學(xué)科,,預(yù)計(jì)到2020年在信息技術(shù)領(lǐng)域,超導(dǎo)應(yīng)用的產(chǎn)值占46%,。

4,、低溫的產(chǎn)生:

現(xiàn)代的制冷技術(shù)zui普遍的方法是消耗消耗機(jī)械功來(lái)制取冷量。壓縮機(jī)先把制冷工質(zhì)(可以是氨、氟里昂,、空氣,、氫氣、氦氣或其他氣體)壓縮,,用冷卻水或風(fēng)冷把壓縮氣體的發(fā)熱帶走,;經(jīng)換熱器預(yù)冷后的壓縮氣體工質(zhì)經(jīng)膨脹機(jī)膨脹降溫制冷或通過(guò)節(jié)流閥降溫。用氨作為制冷工質(zhì),,zui冷能達(dá)到零下33.5℃,,用氟里昂-14zui低能達(dá)零下128℃。zui低溫度是以制冷工質(zhì)的凝固點(diǎn)為限,,用氦氣作為制冷工質(zhì)可以達(dá)到零下271℃,。

1823年英國(guó)科學(xué)家法拉第采用加壓與冷卻方法液化了二氧化碳,1877年利用同樣方法使氧氣液化,,1885年德國(guó)科學(xué)家林德利用氣體的狹口膨脹效應(yīng)發(fā)展制冷技術(shù),,達(dá)到零下190℃使空氣液化;隨后又實(shí)現(xiàn)了氮?dú)夂蜌錃獾囊夯?908年荷蘭科學(xué)家荷蘭科學(xué)家卡曼林-昂內(nèi)斯液化了溫度zui低的氦氣,。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了其他制冷方法,,諸如半導(dǎo)體溫差制冷,渦流管制冷,,吸收式制冷,,脈沖管制冷,太陽(yáng)能光-電轉(zhuǎn)換制冷和光-熱轉(zhuǎn)換制冷等等,;在極低溫領(lǐng)域還有3He-4He的稀釋制冷(可達(dá)溫度10-3K),,順磁鹽絕熱去磁制冷(可達(dá)10-3K溫度)和核去磁制冷(可達(dá)到10-6-10-8K低溫)等方法。

我的想法:在逼近零度的道路上我們永遠(yuǎn)也沒(méi)有盡頭,,而接近零度的過(guò)程,,實(shí)際上就是我們?nèi)祟悓?duì)于自身的一個(gè)不斷超越,同時(shí),,這對(duì)工程上和理論上而言都具有重要的意義,。

5、結(jié)語(yǔ):低溫技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣泛,,在科學(xué)研究領(lǐng)域也十分活躍,,是一個(gè)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的重要課題,,需要我們不斷的去探索,。去探索如何逼近零度,去探索物質(zhì)在低溫世界更多的奇妙性質(zhì),。

                       參考文獻(xiàn)

〈1〉《關(guān)于低溫的概念,、技術(shù)和應(yīng)用》畢延芳2001/5/20

〈2〉《低溫世界的奇跡》

 

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