低溫與科學(xué)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(xué)研究和許多高新技術(shù)相關(guān)，下面分別敘述。
科學(xué)研究
    低溫物理學(xué)是涉及低溫學(xué)現(xiàn)象和相關(guān)物理學(xué)研究，本身就是一門獲15項(xiàng)以上諾貝爾獎(jiǎng)的年輕學(xué)科。人們比較熟悉有馮.德.瓦爾斯填實(shí)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(xué)研究開辟了廣闊的天地。1956年哥倫比亞大學(xué)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(yàn)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(diǎn)，打破了物理學(xué)的一條基本規(guī)律“宇稱守恒定律”。
    1911年荷蘭萊頓大學(xué)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(dòng))，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(shí)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(qiáng)磁場實(shí)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(jì)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(qiáng)磁場，但耗電~10兆瓦。要產(chǎn)生大體積穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場還得求助于超導(dǎo)磁體。
    在20世紀(jì)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(xiàn)。大型超導(dǎo)探測器磁體，直徑和長度都達(dá)數(shù)米。所有超導(dǎo)磁體都運(yùn)行在液氦溫度。超導(dǎo)加速器的﹡大優(yōu)點(diǎn)是大大縮小加速器尺寸和節(jié)省運(yùn)行費(fèi),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(xì)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(yùn)行費(fèi)。

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(qiáng)大的技術(shù)支撐。
    低溫為化學(xué)研究提供了*領(lǐng)或，在室溫或高溫下由于分子運(yùn)動(dòng)速度快，化學(xué)反應(yīng)的中間過程細(xì)節(jié)難以捕捉。低溫使反應(yīng)速度欣慢,從而有機(jī)會(huì)搞清反應(yīng)過程的細(xì)節(jié)，并人為地控制化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，為理論化學(xué)作出了寶貴貢獻(xiàn)。在低溫化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，利用可控制的自由基合成出新的有機(jī)化合物，而自由基的制職、保存和有控制地參與化學(xué)反應(yīng)都是在4K-200K低溫進(jìn)行的。自由基是在分子分裂時(shí)產(chǎn)生的、含有單獨(dú)未酎拍電子，因此性質(zhì)非?；畎l(fā)，在室溫下存在時(shí)間很短(百萬分之一秒)。
    低溫也生物學(xué)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(dòng)暫停或延緩，當(dāng)溫度回升后有機(jī)體的生理機(jī)能仍然有可能恢復(fù)原來的活力。試驗(yàn)證明，在夜氮溫度下保存血液可長達(dá)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(zhǔn)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(xué)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(jī)體相協(xié)調(diào)。世界上﹡二個(gè)試管嬰兒在受精卵植入母體前冷藏了53天。現(xiàn)在，人類對于面臨滅絕的動(dòng)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(huì)賴以存在和發(fā)展的基礎(chǔ);開發(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凰胤蘸碗暗木圩兡芟喈?dāng)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(huì)發(fā)生，唯用強(qiáng)磁場才可能裝容(或約束)如此高溫物質(zhì)。因?yàn)榈入x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(yùn)動(dòng)，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(qiáng)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，否則將消耗非常可觀的功率，使核聚變達(dá)到能里得失平衡的運(yùn)行點(diǎn)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(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)的零電阻特性來提高效率，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(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﹡佳選擇。此泵可以用液氦致冷，也可用微型制冷機(jī)供冷。
    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)前，大型運(yùn)輸液化天然氣的船泊可裝運(yùn)125000m³（5萬噸級(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。

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(jìn)火箭使用的燃料，火箭是人們探索宇審所必需的運(yùn)載工具。﹡二次世男大戰(zhàn)時(shí)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(jì)五十年代液氫取代酒精煤油成為火箭燃料，因?yàn)樗谋葲_里比煤油大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，使它與大氣高速摩提時(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，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(dá)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(jì)及實(shí)驗(yàn)研究都依賴于風(fēng)洞試驗(yàn),超音速飛機(jī)和宇航火箭必需在低溫風(fēng)洞內(nèi)考驗(yàn)。溫度越低，聲速也越低。所以在低溫風(fēng)洞內(nèi)有一股極其強(qiáng)大的冷氣流吹過試驗(yàn)?zāi)Ｐ突驅(qū)嵨?，可以?jīng)濟(jì)地獲得比較大的超音速倍數(shù)，而這種風(fēng)洞的液氮消耗重高達(dá)454公斤/秒。

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。
    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?yàn)樘丈钐幍臏囟鹊瓦_(dá)3.5K, 遠(yuǎn)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(gè)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?yàn)闊o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(yùn)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?dú)?、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(diǎn)差異進(jìn)行分離。
    在冶金工業(yè)，氧氣用于頂吹轉(zhuǎn)爐或電爐;因?yàn)闊掍撔枰罄镅鯕庥靡悦撎?/span>。在普通板金切割需要消耗氧域氮?dú)?，不銹鋼的焊接需要?dú)鍤獗Ｗo(hù)，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(xué)性質(zhì)不活潑，可作為保護(hù)氣、置換氣和密封氣。食品工業(yè)速凍工藝過程消耗相當(dāng)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(hù)氣，也用于不銹鋼、鋁和其他合金焊接的保護(hù)氣。在微電子工業(yè)晶片制造中，氬也常作保護(hù)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(bào)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(jìn)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(yùn)輸方面也大有用武之地，在海面或水下超導(dǎo)磁流體推進(jìn)有許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗揽砍瑢?dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場，當(dāng)垂直于磁場方向經(jīng)海水通以電流時(shí)產(chǎn)生了強(qiáng)大推力。這種推進(jìn)方法不依賴運(yùn)動(dòng)機(jī)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(dāng)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(dāng)溫度降到要下260度以下時(shí)，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(dá)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(xué)
    低溫能降低電子器件的噪聲，在遠(yuǎn)紅外探測技術(shù)必霜用38-80K微型制冷機(jī)來提高微弱信號(hào)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(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。