关于低温的概念、技术和应用

关于低温的概念、技术和应用

毕延芳2001/5/20

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。下面我们将以通俗易懂的方式介绍低温趣事、低温技术的应用和低温产生。

自然界低温

大多数人知道，水的冰点是0℃(以下温度凡未说明都以摄氏度计)，比人的体温低37度。在我国领土的最北端漠河，冬天最低温度可达零下50-60度；当飞机在8,000米高空飞行时，高空的气温低达零下80多度；而地球南极的冬天气温可低达零下90度。在太空，远离太阳，接收太阳光的热愈少，则温度愈低。月球背阳面的温度为零下160多度，而冥王星温度是零下229度。在远离恒星的辽阔无际的超冷区域，大体温度是零下270度。

物态/物性与温度的关系

在夏天奔泻呼啸的黄河到冬天可以走汽车；人们天天呼吸的空气到零下196度都会变成液体，如果进一步降温到零下217度，则空气也冻成了坚硬的固体。总之，随着温度降低，人们生存必需的氧气，用于电弧焊接保护的氩气，占空气77%的氮气，充霓虹灯的氖气和充灌气球的氢气都相继液化和冻结。氦气是最后被液化的气体，在大气中氦气含量不到百万分之一，原先只在太阳光谱中发现氦的谱线，后来在铀矿和天然气中发现地球上也有，由于它的液化温度低，直到20世纪初才被液化，液氦在大气压下无论如何降温也不冻结成固体，只有在25大气压以上才会凝结成固体。

由上面的叙述可见，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。

那么低温是否有尽头？对此问题英国科学家开尔文在1848年已做了回答，从理想气体的压力、体积与温度的关系式，他推论绝对温标的0度是低温的尽头。所谓绝对0度，即摄氏零下273.15度（记为0 K，绝对温度=摄氏温度+273.1），正如理论上所说它是分子运动完全停止的温度。在自然界，运动是物质存在的形式，运动是物质的固有属性，要物质的热运动完全停止是办不到的，但人们可以不断地接近绝对零度。有报道说，最低的温度记录是 3.3′10-8K。

随着温度降低金属材料的长度会缩短，导电性和机械强度提高，比热减小，热导率也有大的

变化。低温使一些物质内部结构发生变化，在室温下亮晶晶的锡制品在严寒的冬天会

图1. 温度与物态

变成粉末状灰锡；橡胶和塑料失去了弹性和塑性；碳钢会发脆，历史上曾发生过多起大型轮船在极地附近海域行驶时焊缝开裂而沉没的事故；高纯金属(如铝、铜、银、铂等)在4K温度时的电阻比室温时低几百几千倍，比热也比室温下小几千倍，而热导率在10-40K之间出现相当高的峰值后再下降。

普冷/低温与人们的生活

人们司空见惯的电冰箱、空调器和超市中的速冻食品与生活密切相关。依靠人工制冰技术，人们在炎热的盛夏可以享受溜冰运动的乐趣。在医院里可以用零下几十度的冷刀切除人皮肤上的疣子，由于血液冻结，可以避免大量流血；低温麻醉术可以避免一般药物麻醉对人体的伤害。在现代化大医院中，检查人体软组织病变的核磁共振成象仪(见图2)对于诊断早期癌症十分有效，避免了传统的开刀切片检查的痛苦。这种核磁成象仪需要有效孔径比人体大的大体积5,000-15,000高斯高稳定度的均匀磁场，用超导磁体产生，其运行温度是4.2K，用液氦冷却。缺氧病人用的氧气源是液态氧，由空气液化后进行氧氮分离而制备获得的。在大城市的夜晚，人们看到的五光十色的霓虹灯中所充的稀有气体(氖、氩、氪、氦等)都是在空气液化后分离制备的。汽油或柴油作为汽车燃料对环境污染比较严重，天然气是比较清洁的燃料，采用液化天然气比压缩天然气使汽车携带更多燃料，天然气的液化温度是零下162度。也有人认为使用液氢作为汽车燃料是最清洁的，在德国已经开始试用(见图3)。在城市地下交通建设中，为避免在建筑物下挖掘地铁隧道而引起塌方，可将隧道周围的土层进行冻结。

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。

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、焦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纯度氮气、氧气、氩气、烷烃气体、烯烃气体、氦气和其他稀有气体。在美国工业气体的年产值达50亿美元，占低温产业约1/3。

传统的制氧方法是将空气压缩并降温到-190度成为液体，然后利用液氮、液氧与其他组分(氩、氪、氖、氦等)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，因为炼钢需要大量氧气用以脱碳。美国有50%液氧用于炼钢，20%液氧用于化学工业制造抗冻剂。在普通板金切割需要消耗氧气或氮气，不锈钢的焊接需要氩气保护，避免焊缝氧化。在石油化工工业，氧气用来裂解重油，生产烃烯气，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量的液氮；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。

氩是惰性气体，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，氩也常作保护气。氩、氪、氖、氦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，时速可超过500公里的超导磁悬浮列车在日本、美国和加拿大研制中；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。1993年日本的“太和1号“船下水，说明在国外已经进入试运行阶段。

生产优质陶瓷制品和印刷精美画册都需要高品质高岭土，当天然高岭土矿中往往含有黄色氧化铁。利用超导高梯度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。在工业污水处理中也可用超导磁分离技术去除弱磁性颗粒物

低温真空技术

利用低温获得高真空是十分有效的技术，当温度降到零下260度以下时，除氦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103~104 m3/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、冷冻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仪，用于测定物质比辐射率以确定宇宙星体构造的红外分光光度仪；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量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，用来诊断某些疾病。也有人利用超导微电子器件制造速度更快的计算机。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，预计到2020年在信息技术领域，超导应用的产值占46%。

1962年约瑟夫逊发现了超导隧道效应，在两块超导体中间的绝缘介质厚度薄到一定程度(10-9~10-8m)，电子能成对地畅通无阻地穿越介质，好象绝缘山体开了条隧道。但这无阻的隧道电流是有限制的，当电流密度过大时会出现奇妙的特性：一是介质层两端出现电压，说明有正常电子的隧道通过；二是同时又出现了一种高频超导电流，超导电流的频率与介质层两端的电压成正比。如果用一定频率的微波去照射超导隧道结，同时外加一定的直流电压，当电压由小逐渐增大，超导隧道结上出现的电流会作阶梯式的变化。或者说，只有外加电压的变化是一个特定的数值时电流才会发生一次突变，而电压阶越大小与微波频率相关，频率越高阶越电压越大。微波频率与电压变化具有明显的对应关系，利用此奇异特性可以制成放

大、混频、检测等各种各样电子器件。这些器件灵敏度高，损耗小，响应速度快。依靠超导隧道结电磁波检测器可以去接收宇宙深处天体发射来的极其微弱微波信号，发现了蟹状星云的脉冲星。超导隧道结也可以制成参量放大器，噪声指数非常小。利用超导隧道效应可以制造量子干涉仪，用来测量电压和磁场的微小变化，具有极高的灵敏度和分辨率，它能测量10-11高斯磁场，比霍尔探针灵敏一万倍。它能够用来寻找弱磁性矿藏，可以用于地热能寻找，可用来记录人心脏跳动时微弱的生物磁场变化，也用于引力波和磁单极子探测。利用微波照射超导隧道结时电流-电压特性阶梯形曲线与微波频率相关的定量规律，去监视电压基准器，这是在标准计量方面的重要应用。约氏量子干涉效应可制成高速开关器件，1988年已达到1.5微微秒，其功耗远低于半导体开关器件，为计算机未来发展提供新的研究领域。

低温产生

西方国家的工业革命以蒸汽机发明为先导，蒸汽机是把燃煤的热量转化为机械功；而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。