低溫技術及其應用

關鍵詞：低溫奇跡，低溫技術，低溫的產生

1、引言

低溫技術不僅與人們當代高質量生活息息相關，同時與世界上許多尖端科學研究(諸如超導電技術、航天與航空技術、高能物理、受控熱核聚變、遠紅外探測、精密電磁計量、生物學和生命科學等)密不可分。在超低溫條件下，物質的特性會出現奇妙的變化：空氣變成了液體或固體；生物細胞或組織可以長期貯存而不死亡；導體的電阻消失了——超導電現象而磁力線不能穿過超導體——完全抗磁現象；液體氦的黏滯性幾乎為零——超流現象，而導熱性能比高純銅還好。下面我將主要介紹低溫奇跡、低溫技術的應用和低溫是如何產生的。

2、低溫世界的奇跡

⑴低溫的世界就像童話里的世界，各種物質在低溫下會呈現奇特的景象：在-190℃以下的低溫下：空氣會變成淺藍色的液體，叫做“液態空氣”；若把梨子在液態空氣里浸過，它會變得像玻璃一樣脆：石蠟在液態空氣里，像螢火蟲一樣發出熒光。如果把雞蛋放進-190℃的盒子中，能產生淺藍色的熒光，摔在地上會像皮球一樣彈起。在-100℃到-200℃的環境里，汽油、煤油、水銀、酒精都會變成硬邦邦的固體；二氧化碳則變成了雪白的結晶體，平時富有彈性的橡皮變得很脆，鋼鐵也變成了“豆腐”；酒精會變得像石頭一樣硬，塑料會像玻璃一樣脆；鮮艷的花朵會像玻璃一樣亮閃閃，輕輕地一敲，發出“叮當”響。從魚缸撈出一條金魚放進-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，金魚說不定會復活。

⑵超導與超流：隨著溫度降低，室溫時的氣態物質可以轉化成液態、固態。如果升高溫度(數百萬度)，氣態可以轉化為等離子態，所有原子和分子游離成帶電的電子和正離子，人們稱等離子態為物質的第四態。一些金屬、合金、金屬間化合物和氧化物，當溫度低于臨界溫度時出現超導電性(即零電阻現象)和完全抗磁性(把磁力線完全排除出體外現象)。液氦溫度低于零下271度時還出現超流現象，液體的黏滯度幾乎為零，杯子內的液氦會沿器壁爬到杯子下面，液體的傳熱系數比銅還好。上述兩種現象可稱為超導態和超流態，人們把超導態和超流態稱為物質的第五態。

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在低溫下進行特種物質的合成或者進行一些常溫下難以進行的科學研究。如果在低溫環境可以更簡單的達到，那么也許就會徹底改變我們這個世界的現貌，引發另一次的技術革命。

3、低溫在工程技術領域的應用

⑴能源研究與技術：能源是人類社會賴以存在和發展的基礎，開發受控熱核聚變能曾被認為是徹底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氘和氚的聚變能相當于300公斤汽油。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，采用低溫泵是最佳選擇。此泵可以用液氦致冷，也可用微型制冷機供冷。目前世界上運行的高溫氣冷裂變堆用氦氣作為傳熱工質，據說為純化氦氣每年得花費100萬美元的液氮。

在能源技術領域超導磁體和超導技術還有更廣泛用途，如超導電動機和超導發電機、超導電感電力貯能、超導變壓器、超導電力傳輸線，上述超導電力工程應用是利用超導的零電阻特性來提高效率，多數已有樣機投入試運行；而用高溫超導材料制造的故障電流限制器則利用超導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，從而便于運輸，大型運輸液化天然氣的船泊可裝運125,000m3(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。

⑵航空與航天技術：低溫使室溫下氣體轉化成液體，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量的氣體方法要減 輕許多。因此液氧和液氫常常作為推進火箭使用的燃料，火箭是人們探索宇宙所必需的運載工具。第二次世界大戰時發射的火箭已用液氧和酒精或煤油作為燃料，到二十世紀五十年代液氫取代酒精/煤油成為火箭燃料，因為它的比沖量比煤油大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，使它與大氣高速摩擦時不被燒蝕。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境，在飛船上天之前必需在模擬環境中進行試驗，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境的獲得必需依靠低溫技術，低溫技術不僅使巨大的模擬器(數百立方米容積真空罐)內達到足夠低的溫度，還利用低溫泵原理獲得高真空。

超導磁懸浮技術的一個可能應用領域是航天器的發射，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。

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，遠紅外輻射非常非常微弱，探測超寬紅外輻射帶儀器需要用1.8K超流氦冷卻。

超導體除了零電阻特性外，另一個奇妙特性是完全抗磁性。無論是超導線繞成的閉合線圈或塊狀超導材料都排斥磁力線穿過，或者說磁場排斥超導體。利用這完全抗磁性可以制造無摩擦軸承，制造超導陀螺儀，因為無摩擦軸承使陀螺儀以每分鐘幾萬轉速度高速旋轉，無論航空器或航天器的飛行如何方向變化，超導陀螺儀的旋轉軸指向保持不變。

⑶低溫/超導電子學

低溫能降低電子器件的噪聲，在遠紅外探測技術必需用38~80K微 型制冷機來提高微弱信號的聲噪比，如氣象衛星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，用于測定物質比輻射率以確定宇宙星體構造的紅外 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，防空預警系統中導彈制導系統的紅外探測器。在低溫下利用約瑟夫遜效應量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記錄人的腦磁圖，用來診斷某些疾病。也有人利用超導微電子器件制造速度更快的計算機。所有超導電子器件都以超導隧道效應 為基礎，已發展成一門前景燦爛的學科，預計到2020年在信息技術領域，超導應用的產值占46%。

4、低溫的產生：

現代的制冷技術最普遍的方法是消耗消耗機械功來制取冷量。壓縮機先把制冷工質(可以是氨、氟里昂、空氣、氫氣、氦氣或其他氣體)壓縮，用冷卻水或風冷把壓縮氣體的發熱帶走；經換熱器預冷后的壓縮氣體工質經膨脹機膨脹降溫制冷或通過節流閥降溫。用氨作為制冷工質，最冷能達到零下33.5℃，用氟里昂-14最低能達零下128℃。最低溫度是以制冷工質的凝固點為限，用氦氣作為制冷工質可以達到零下271℃。

1823年英國科學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年德國科學家林德利用氣體的狹口膨脹效應發展制冷技術，達到零下190℃使空氣液化；隨后又實現了氮氣和氫氣的液化，1908年荷蘭科學家荷蘭科學家卡曼林-昂內斯液化了溫度最低的氦氣。

科學技術的發展出現了其他制冷方法，諸如半導體溫差制冷，渦流管制冷，吸收式制冷，脈沖管制冷，太陽能光-電轉換制冷和光-熱轉換制冷等等；在極低溫領域還有3He-4He的稀釋制冷(可達絕對溫度10-3K)，順磁鹽絕熱去磁制冷(可達10-3K溫度)和核去磁制冷(可達到10-6-10-8K低溫)等方法。

我的想法：在逼近絕對零度的道路上我們永遠也沒有盡頭，而接近絕對零度的過程，實際上就是我們人類對于自身的一個不斷超越，同時，這對工程上和理論上而言都具有重要的意義。

5、結語：低溫技術的應用前景十分廣泛，在科學研究領域也十分活躍，是一個跨學科、跨領域的重要課題，需要我們不斷的去探索。去探索如何逼近絕對零度，去探索物質在低溫世界更多的奇妙性質。

                       參考文獻

〈1〉《關于低溫的概念、技術和應用》畢延芳2001/5/20

〈2〉《低溫世界的奇跡》