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。人们比较熟悉有冯暤声瓦尔斯(真实气体定律提出者)，卡曼林暟耗谒?/FONT>(氦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刀磁体和0.01K低温条件，测定放射性钴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-昂内斯在液氦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，才制造出在液氦温度(4.2K)能产生5~12万高斯强磁场实用的铌钛合金和铌三锡金属化合物超导材料。

用钕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8,000~15,000高斯小体积的磁场；要产生高于15,000高斯磁场或大体积磁场，不得不大大增加电能消耗。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，由于沿粒子轨迹使液体气化，从而可拍摄记录粒子的轨迹。如果再施加磁场使粒子偏转，则从粒子速度和曲率半径算出粒子的质量。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。美国费米实验室的超导加速器，德国汉堡超导质子-正电子对撞机，这两个加速器周长大于6公里，各装有一千多个超导二极磁体(使带电粒子束弯转)和四极磁体(使粒子束聚焦)，所有超导磁体都运行在液氦温度。超导加速器的最大优点是大大缩小加速器尺寸和节省运行费，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最高能量，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。目前正在欧洲建造的LHC超导加速器(14´ 1012电子伏特质子-质子对撞机)，周长达27公里，超导磁体数目更多(1600)，磁场高达8.3万高斯，总的冷重达36,000吨，用1.9K超流氦冷却。当然，为超导磁体降温和保冷必需消耗四十兆瓦的电力。

超导直线加速器可以避免电子回旋加速器的能量辐射，不需要弯转磁体，但它需要大量超导微波谐振腔使粒子束提高能量，超导铌谐振腔需要用液氦或超流氦冷却，德国计划建造的超导直线加速器长达20多公里。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。

强磁场装置为各种物性研究提供了大量机遇，世界上目前最强的稳态强磁场达到40万高斯，由水冷的比特线圈和超流氦冷却的超导线圈联合产生，其中14万高斯由超导线圈产生。孔径为32mm超导磁体的最高磁场可达21万高斯，铌三锡超导线圈运行在1.8K温度。

低温为化学研究提供了独特领域，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。低温使反应速度放慢，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，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，而自由基的制取、保存和有控制地参与化学反应都是在4K-200K低温进行的。自由基是在分子分裂时产生的、含有单独未配对的电子，因此性质非常活泼，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，在液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液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。世界上第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，显然基因库必需在液氮低温下才行。

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氘和氚的聚变能相当于300公斤汽油。而氘和氚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，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，使核聚变达到能量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，已建成和运行的超导托卡马克装置有法国的Tore Supra(液氦低温冷重达170吨，超导线圈用超流氦冷却))，俄国的T-15(液氦温度冷重300吨)，日本的Triam-1M和我国HT-7(液氦温区冷重14吨)；还有日本的超导大型螺旋器装置LHD(液氦温区冷重达800吨)。目前由西欧、日本和俄国三方合作设计、建造的国际热核聚变实验堆，其超导磁体的冷重近万吨，一旦建成运转，人们将可看到一个集多种极端物理条件于一体的巨型装置――冷却超导磁体的深低温(4.5K)、产生核聚变的超高温、约束等离子体的强磁场(12万高斯)、等离子体容器放电前的高真空和使等离子体加热到聚变温度的超大功率电磁波加热系统。

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。

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。

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。

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量高达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。