第一章-1 低温技术及其应用.ppt

LHC:采用超流氦(1.8K)冷却的超导磁体 LHC Physics Atlas detector Diameter: 25 m Barrel toroid length: 26 m Chamber span: 46 m Overall weight: 7000 T A Toroidal LHC Apparatus 空气在-196°C时会变成浅蓝色液体 塑料、橡胶、鲜艳的花朵、生鸡蛋放进液氮中会变成玻璃一样，轻敲会发出“叮当”声，重敲会破碎 低温下的空气 低温-性质 将一条金鱼放入液态空气中，再取出来时，它会变得硬邦邦，晶莹剔透，仿佛水晶玻璃制成的工艺品。 更为神奇的是，再将它放入水中时，它竟然复活了，又摆动着轻纱般的尾巴游了起来。 低温-金鱼 低温时，金属的内部结构会变得松散--金属的“冷脆现象”。 锡，铝、镁甚至钢铁也都怕冷。 怕“冷”的金属 只有金属铜和一些合金（如铝合金、钛合金等）不怕低温。所以对于低温设备，如盛液态空气，常使用金属铜作容器 1913年，俄罗斯一南极探险队，由于装汽油的铁箱是用锡焊的，一遇低温，焊锡变成粉末，汽油全部漏光——探险队全部遇难。之后，凡到南、北极或严寒地区，油箱一律不许用锡焊 1938年和1940年，在比利时，先后有两座铁桥在严寒中轰然坍塌 1943年2月，美国纽约附近的一个直径12米的贮气罐突然破裂…… 金属冷脆带来的灾难 将液态空气洒在地面，由于温度骤降，使地雷中的金属弹簧变脆而失去弹性，也不会爆炸 应用冷脆技术，不仅可以迅速粉碎那些硬度高、弹性大的材料 ，还可以控制颗粒大小 对于回收废钢，在回炉炼钢前的粉碎一直是个难题。过去用1400°C的电弧来切割，既费力，又污染环境。现在利用低温冷脆技术，一小时可以粉碎30吨 利用金属“冷脆”现象 超导现象 将金属铅做成一个圆环，放入接近0K的超低温中，这时，铅的电阻消失了！在环中通上电流，然后截断电源，将整套装置密封起来。放置二年后将装置打开，测量电流强度，发现几乎没有变化！ 原来，超导环的电阻为0，因此没有能量损失，环中的电流可以几年、十几年、几十年经久不衰！ 1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。 N N 降温 加场 迈斯纳效应：完全抗磁性 注：S表示超导态 N表示正常态 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了。 迈纳斯效应: 磁悬浮 这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。 超导磁悬浮列车 磁悬浮 超导磁悬浮列车(Maglev) Japan Railway 500 km/hr 10 cm lift LTS magnets 4 magnets/cryostat 7 W at 4 K 18 km test track 导热系数非常大 热阻很小 粘度很小 “喷泉现象” “爬行膜” 可以无阻碍的通过极细的狭缝和小孔；并在和任何固体表面接触时会形成一层薄膜（2×10-5mm） 超流氦HeⅡ的特殊现象 HeⅡ中的喷泉效应 HeⅡ中的“爬行膜现象” 超导应用 目前世界上的电能约有1/4损耗在输电线路上，1/4损耗在变压器上 若使用无电阻的超导材料做输电线路和变压器，再采用一些绝热技术，将实现“无损耗输电”，等于增加了1倍的发电量 电力传输 最近科学家已设计制造出实用超导电缆： 利用一种合金氧化物（钇钡铜氧）制成几毫米的带子，缠绕在装有流动液氮的管子上，再加上几层绝热层，一根超导电缆就制成了。 它的输电能力是铜的30-40倍。 超导电缆 研究人员已制造出超导磁体，它无电阻、无热损耗，易产生强大磁场，且节省电力： 5万高斯的强磁场只需几百瓦功率的电源，过去，一个产生5万高斯强磁场的磁体重量达20吨，而目前只有几公斤。 超导磁体 高速计算机的散热是超大规模集成电路面临的难题 而超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。 超导计算机 核能包括裂变能和聚变能。裂变是重金属元素的质子通过裂变而释放的巨大能量，目前已经实现商用化。 氘氚聚变释放出大量能量，其燃料氘在地球上几乎可以说是无穷尽的。聚变反应堆不产生污染物质，产物没有放射性，具有接近无限资源的比较理想的能源。 聚变能是目前认识到的可以最终解决人类能源和环境问题的最重要的途径之一。 核聚变 磁约束（托卡马克