低溫與科學技術(shù)

冷凍方法可以長期保存食物，城市需要冷庫，家庭擁有冰箱，空調(diào)設(shè)備使人們在炎熱夏天變得舒適……對大多數(shù)人已不陌生，這些都屬于普冷技術(shù)范疇。低溫技術(shù)是指溫度低于零下150度的領(lǐng)域。由于低溫與科學研究和許多高新技術(shù)相關(guān)，下面分別敘述。
科學研究
    低溫物理學是涉及低溫學現(xiàn)象和相關(guān)物理學研究，本身就是一門獲15項以上諾貝爾獎的年輕學科。人們比較熟悉有馮.德.瓦爾斯填實氣體定律提出者),卡曼林.昂內(nèi)斯（氦液化和超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)者)，巴丁、庫柏、施瑞弗(提出超導(dǎo)電性BCS理論),約瑟夫遜（發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)隧道效應(yīng)者)和李政道、楊振寧等人。
    低溫技術(shù)為物理學研究開辟了廣闊的天地。1956年哥倫比亞大學吳健雄博士利用刺*磁體和0.01K低溫條件，測定謝性鈷60放射出來電子在原子核自旋方向的分布，驗證李政道和楊振寧博士提出的弱相互作用下宇稱不守恒的觀點，打破了物理學的一條基本規(guī)律“宇稱守恒定律”。
    1911年荷蘭萊頓大學教授卡曼林昂內(nèi)斯在夜氦溫度發(fā)現(xiàn)了水銀的超導(dǎo)電性(電流在導(dǎo)體內(nèi)無電阻流動)，人們首先想到用超導(dǎo)材料制造電磁體，但遺憾的是幾乎所有超導(dǎo)純金屬在2000高斯磁場時失去超導(dǎo)電性。直到1970年代，才制造出在液氦溫度(4.2K)能產(chǎn)生5~12萬高斯強磁場實用的鈮鈦合金和鈮三錫金屬化合物超導(dǎo)材料。
   用釹鐵硼永磁材料可產(chǎn)生數(shù)千高斯大體積穩(wěn)態(tài)磁場而不消耗電能;用電磁鐵(銅/鋁線圈+導(dǎo)磁材料)能經(jīng)濟地產(chǎn)生8000~15000高斯小體積的磁場;要產(chǎn)生高于15000高斯磁場或大體積磁場，不得不大大增噸能消耗。如果要求的磁場工作孔徑較小(~32mm);則水冷比特線圈可以產(chǎn)生25萬高斯穩(wěn)態(tài)強磁場，但耗電~10兆瓦。要產(chǎn)生大體積穩(wěn)態(tài)強磁場還得求助于超導(dǎo)磁體。
    在20世紀后30多年中,人們?yōu)楦吣芰Ｗ游锢硌芯拷ㄔ炝司薮蟮臍渑菔?，讓碰撞后的高能粒子通過充滿液氫的容器，由于沿粒子軌跡使夜體氣化，從而可拍攝記錄粒子的軌跡。如果再施加茲場使粒子偏轉(zhuǎn)，則從粒子速度和曲率半徑算出粒子的質(zhì)里。泡室曾為多種基本粒子的發(fā)現(xiàn)作出了貢獻。大型超導(dǎo)探測器磁體，直徑和長度都達數(shù)米。所有超導(dǎo)磁體都運行在液氦溫度。超導(dǎo)加速器的﹡大優(yōu)點是大大縮小加速器尺寸和節(jié)省運行費,如果用常規(guī)的電磁鐵產(chǎn)生磁場5萬高斯，則電力消耗大得驚人;這樣要提高加速器的﹡高能里，要么加大周長尺寸，要么明細增加電力消耗;由于超導(dǎo)磁體沒有電阻，可以產(chǎn)生5萬高斯以上大體積磁場，而并不需要巨大功率電源，從而減少了運行費。

超導(dǎo)直線加速器可以避免電子回旋加速器的能里輻射,不需要彎轉(zhuǎn)磁體，但它需要大里超導(dǎo)微波諧辰腔使粒子束提高能量，超導(dǎo)锨皆振腔需要用夜氦或超流氦冷卻。總之，低溫超導(dǎo)技術(shù)為高能物理研究提供了強大的技術(shù)支撐。
    低溫為化學研究提供了*領(lǐng)或，在室溫或高溫下由于分子運動速度快，化學反應(yīng)的中間過程細節(jié)難以捕捉。低溫使反應(yīng)速度欣慢,從而有機會搞清反應(yīng)過程的細節(jié)，并人為地控制化學反應(yīng)的進程，為理論化學作出了寶貴貢獻。在低溫化學實驗室，利用可控制的自由基合成出新的有機化合物，而自由基的制職、保存和有控制地參與化學反應(yīng)都是在4K-200K低溫進行的。自由基是在分子分裂時產(chǎn)生的、含有單獨未酎拍電子，因此性質(zhì)非常活發(fā)，在室溫下存在時間很短(百萬分之一秒)。
    低溫也生物學研究開辟了廣闊天地。低溫曾使一些生物的生存遭到過威脅,但又使它們的生存獲得保障和延續(xù)。低溫可以抑制數(shù)目過程，在低溫下生命活動暫?；蜓泳?，當溫度回升后有機體的生理機能仍然有可能恢復(fù)原來的活力。試驗證明，在夜氮溫度下保存血液可長達21年。在畜牧業(yè)已普遍推廣使用的種牛的精*在液氮中可長期冷凍保存。準備移植的人體器官先要經(jīng)過特殊的冷藏處理，它的物理化學結(jié)構(gòu)都發(fā)生了奇妙的變化，這樣，移植的組織容易和機體相協(xié)調(diào)。世界上﹡二個試管嬰兒在受精卵植入母體前冷藏了53天?，F(xiàn)在，人類對于面臨滅絕的動植物正在建立基因庫,顯然基因庫必需在夜氮低溫下行。

能源研究與技術(shù)
    能源是人類社會賴以存在和發(fā)展的基礎(chǔ);開發(fā)受控熱核聚變能曾被認為是*解決人類能源的根本途徑，因為每公升海水含有的氫同位素氛和氚的聚變能相當于300公斤汽油。而氘和氚的自持核聚變只有在上億度的高溫等離子體內(nèi)才會發(fā)生，唯用強磁場才可能裝容(或約束)如此高溫物質(zhì)。因為等離子體里所有帶電粒子在磁場內(nèi)受洛侖茲力作用，沿著磁力線作螺旋運動，具有--定位形的磁場使等離子體不與真空室的器壁接觸，而且磁場越強對等離子體約束得約好。如果用銅導(dǎo)體制造的線圈來產(chǎn)生這約束磁場，只能以脈沖的方式工作，否則將消耗非?？捎^的功率，使核聚變達到能里得失平衡的運行點更加困難，磁約束核聚變裝置是超導(dǎo)磁體大規(guī)模應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。

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)電動機和超導(dǎo)發(fā)電機、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)的零電阻特性來提高效率，多數(shù)已有樣機投入試運行;而用高溫超導(dǎo)材料制遣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。
     聚變實驗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﹡佳選擇。此泵可以用液氦致冷，也可用微型制冷機供冷。
    天然氣是當前主要能源之一，當它降溫至零下162度時變成液體，體積縮小約640倍，從而便于運前，大型運輸液化天然氣的船泊可裝運125000m³（5萬噸級)°天然氣的液化、液化天然氣的貯存和運輸可謂是大型低溫工程。

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，凄化后的氣體必須在絕熱良好的容器里保存，容器的重里比起用壓力容器裝容同等質(zhì)重的氣體方法要減輕許多。因此液氧和液氫常常作為推進火箭使用的燃料，火箭是人們探索宇審所必需的運載工具。﹡二次世男大戰(zhàn)時發(fā)射的火箭已用液氧和酒情或煤油作為燃料,到二十世紀五十年代液氫取代酒精煤油成為火箭燃料，因為它的比沖里比煤油大30%。一架宇宙飛船的推進火箭攜帶的液氧多達530m³,液氫1438m³。這些低溫燃料還起到冷卻火箭外殼，使它與大氣高速摩提時不被燒蝕。有人研究用液氫與甲烷固液混合物作為近音速和遠超音速飛機的燃料，因為低溫燃料可以冷卻飛機表面。
    廣漠無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)填中進行試驗，這對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)達到足夠低的溫度，還利用低溫泵原理獲得高真空。
    航空或航天器的設(shè)計及實驗研究都依賴于風洞試驗,超音速飛機和宇航火箭必需在低溫風洞內(nèi)考驗。溫度越低，聲速也越低。所以在低溫風洞內(nèi)有一股極其強大的冷氣流吹過試驗?zāi)Ｐ突驅(qū)嵨铮梢越?jīng)濟地獲得比較大的超音速倍數(shù)，而這種風洞的液氮消耗重高達454公斤/秒。

超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的一個可能應(yīng)用領(lǐng)域是航天器的發(fā)射，使它在離開地面時已具有很高的速度，因為這加速由地面供給能源，從而減少了火箭需攜帶的燃料。
    宇航員在太空長期生活離不開氧氣，呼吸用的氧氣是從地面以液氧的方式帶到太空的。太空探測儀器要求低溫致冷，因為太空深處的溫度低達3.5K, 遠紅外福射非常非常微弱，探測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-個奇妙特性是*抗磁性。無論是超導(dǎo)線繞成的閉合線圈或塊狀超導(dǎo)材料都排所磁力線穿過，或者說磁場排斥超導(dǎo)體。利用這*抗磁性可以制造無摩擦軸承，制造超導(dǎo)陀螺儀，因為無摩擦軸承傅它螺儀以每分鐘幾萬轉(zhuǎn)速度高速旋轉(zhuǎn)，無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。.
工業(yè)與交通運輸應(yīng)用
    氣體工業(yè)是利用低溫技術(shù)分離氣體，它的原料可以是空氣、天然氣、爐氣或者石油裂化氣，其產(chǎn)品是工業(yè)生產(chǎn)或科研需要的各種屯度氮氣、氧氣、氬氣、烷烴氣體、烯烴氣體、氦氣和其他稀有氣體。

傳統(tǒng)的制氧方法是將空氣壓縮并降溫到-190度成為液體，然后利用液氮、液氧與其他組分（氬、氪、氖、氦等)氣化點差異進行分離。
    在冶金工業(yè)，氧氣用于頂吹轉(zhuǎn)爐或電爐;因為煉鋼需要大里氧氣用以脫碳。在普通板金切割需要消耗氧域氮氣，不銹鋼的焊接需要氬氣保護，避免焊縫氧化。在石油化工工業(yè)，氧氣用來裂解重油，生產(chǎn)烴烯氣,或氣化重油、煤粉，制備合成氨原料氣。氧氣還被用于城市污水處理。
    氮的化學性質(zhì)不活潑，可作為保護氣、置換氣和密封氣。食品工業(yè)速凍工藝過程消耗相當大里的液氮;口香糖的切片和包裝也需要液氮;塑料橡膠制品表面去光亮和油漆顏料的冷卻等等都需用液氮。
    氬是惰性氣體，可用作金屬冶煉的保護氣，也用于不銹鋼、鋁和其他合金焊接的保護氣。在微電子工業(yè)晶片制造中，氬也常作保護氣。氬、氪、氖、氦等惰性氣體在電光源和激光器制造中大有用途。
    伴隨汽車工業(yè)的發(fā)展，每年有大量的橡膠輪胎報廢。為使廢輪胎不造成環(huán)境污染，又利用廢棄資源，工業(yè)界利用低溫下橡膠、塑料和普通碳鋼的脆性進行粉碎處理。在食品和制藥業(yè)也利用低溫粉碎技術(shù)。
    在石油氣分離方面，用低溫技術(shù)分離其中的氫氣和其他惰性氣體，制取高純度的乙烯。超導(dǎo)與低溫技術(shù)在交通運輸方面也大有用武之地，在海面或水下超導(dǎo)磁流體推進有許多優(yōu)點，因為它依靠超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強磁場，當垂直于磁場方向經(jīng)海水通以電流時產(chǎn)生了強大推力。這種推進方法不依賴運動機械，因此噪音小，推力平穩(wěn)，使聲納難以偵察。
    生產(chǎn)優(yōu)﹡陶瓷制品和印刷精美畫冊都需要高品質(zhì)高嶺土,當天然高嶺土礦中往往含有黃色氧化鐵。利用超導(dǎo)高梯顏磁場可以將這些雜質(zhì)分離，獲得高品質(zhì)高嶺土。此外超導(dǎo)磁分離技術(shù)還可以用于燃煤發(fā)電廠分離煤中的硫,以減少對鍋爐和周圍環(huán)境的污染。在工業(yè)污水處理中也可用超導(dǎo)磁分離技術(shù)去除弱性顆粒物。

低溫真空技術(shù)

利用低溫獲得高真空是十分有效的技術(shù),當溫度降到要下260度以下時，除氦以外其他氣體都凝結(jié)成固體，因此低溫泵是抽速非常高的泵，可高達10³-10⁴m³/s;面且又非常清潔。低溫真空技術(shù)不僅在宇宙環(huán)境模擬和核聚變研究發(fā)揮重要作用，在微電子器件制造、冷東干燥和真空冶金等方面獲得了廣泛應(yīng)用。

低溫/超導(dǎo)電子學
    低溫能降低電子器件的噪聲，在遠紅外探測技術(shù)必霜用38-80K微型制冷機來提高微弱信號的聲噪比，如氣象衛(wèi)里上用來測定海水表面層溫度分布、云層分布及溫度的紅外輻射儀，用于測定物質(zhì)比輻射宇宙星體構(gòu)造的內(nèi)紅外分光光度儀；探測地層中礦藏分布和資源的紅外多光譜掃描儀，防空預(yù)警系統(tǒng)中導(dǎo)*制導(dǎo)系統(tǒng)的紅外探測器。在低溫下利用約瑟夫遜效應(yīng)里子器件可精確地測量極微弱磁場變化，有人已將約瑟夫遜效應(yīng)記錄人的腦磁圖，用來診斷某些疾﹡。也有人利用超導(dǎo)微電子器件制造速電度更快的計算機。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科。