《低温物理与技术》课件.pptVIP

低温物理与技术探索物质在极低温下的奇妙世界

课程概述课程目标掌握低温物理基本理论与技术应用学习内容低温现象、超导体、超流体、制冷技术考核方式

什么是低温物理？温度定义研究-153°C（120K）以下温度区域研究对象物质在极低温下呈现特殊物理性质理论基础

低温物理学的历史19世纪法拉第成功液化氯气1898年詹姆斯·杜瓦液化氢气1908年

低温标准权威定义美国国家标准技术研究所（NIST）设立标准温度界限120K（-153°C）作为低温研究下限分级系统深低温、超低温等细分温区

温度单位与换算温标符号基准点换算公式开尔文K绝对零度T(K)=T(°C)+273.15摄氏度°C水冰点T(°C)=T(K)-273.15华氏度°F氯化铵混合物T(°F)=T(°C)×1.8+32

绝对零度理论定义0K（-273.15°C）分子运动完全停止的理想状态实际意义热力学第三定律保证无法达到现代技术可接近但永远不能抵达

低温物理研究对象合金低温超导性质半导体量子电子特性磁性材料低温磁序研究非晶态物质玻璃态转变塑料与复合材料低温力学性能

量子效应在低温下的显现能量基态系统趋向最低能量状态低激发态量子跃迁能量差异变得显著量子力学效应隧穿效应、零点能等现象明显

低温物理学的主要研究方向玻色-爱因斯坦凝聚原子气体在超低温下新态研究量子霍尔效应二维电子系统磁场下量子行为超流动性液体氦零粘度量子现象超导电性零电阻和完全抗磁性

超导电性概述1定义特征零电阻、完全抗磁性（迈斯纳效应）2发现历史1911年昂内斯发现汞在4.2K变为超导体3理论发展BCS理论解释超导机理（1957年）

超导体的类型第一类超导体纯金属材料临界磁场低完全迈斯纳效应第二类超导体合金和化合物临界磁场高混合态渗透高温超导体铜氧化物系列临界温度高于77K机理仍有争议

超导应用强磁场科研装置、粒子加速器医疗设备磁共振成像（MRI）量子计算超导量子比特磁悬浮列车高速无摩擦交通

超流动性概述定义流体的量子凝聚态零粘度流动氦-4超流转变温度约2.17K玻色-爱因斯坦凝聚氦-3超流转变温度约0.0025K库珀对形成机制

超流体的特性零粘度无摩擦流动热超导极高热传导率量子涡旋量子化角动量爬行效应沿容器壁爬升

超流体的应用精密测量超敏感陀螺仪引力波探测器低温制冷技术稀释制冷机超低温获取量子干涉仪超高灵敏度磁场测量量子态研究

量子霍尔效应1980整数量子霍尔效应冯·克利青发现，获1985年诺贝尔物理学奖1982分数量子霍尔效应大内与斯托默发现，获1998年诺贝尔物理学奖2005量子自旋霍尔效应拓扑绝缘体研究重要突破

玻色-爱因斯坦凝聚理论基础玻色子在低温下占据相同量子态爱因斯坦1925年预言实验实现1995年科内尔等首次实现2001年诺贝尔物理学奖研究前沿量子模拟器量子涡旋晶格量子多体纠缠

低温技术概述定义范围实现与维持低温环境的技术应用领域科研、医疗、工业、航天发展历程从气体液化到量子信息技术

制冷循环原理焦耳-汤姆逊效应气体绝热节流冷却绝热膨胀气体做功降温磁制冷顺磁盐绝热退磁3回热循环热交换提高效率

气体液化技术氮气液化沸点77K，工业应用最广泛氢气液化沸点20K，清洁能源储存氦气液化沸点4.2K，超导磁体冷却空气分离低温精馏提取各组分

氦液化系统1系统组成压缩机、纯化器、热交换器、节流阀2工作原理改进克劳德循环，多级预冷与节流3性能指标液化率、制冷功率、能耗比4技术挑战低温密封、绝热设计、高效换热

稀释制冷技术原理氦-3溶入氦-4的吸热效应基于两种同位素混合焓差结构混合室、蒸馏室、热交换器多重绝热设计性能可达2mK以下持续制冷能力应用量子计算低温物理实验

绝热消磁制冷1原理基础顺磁材料在磁场中的熵变2电子绝热消磁可达10mK量级温度3核绝热消磁可达微K量级极低温

低温绝热技术真空绝热消除传导与对流传热多层绝热交替铝箔与隔离层辐射屏蔽低发射率表面减少热辐射

低温传感器低温传感器需要特殊校准，标准传感器在极低温下失效

低温阀门与管路低温阀门设计低温密封材料选择防冻结结构延长杆减少热传导低温管路布局减少热负荷设计补偿热收缩多点支撑结构材料选择不锈钢管道铜管高热导特殊合金耐低温

低温材料金属材料不锈钢韧性保持铝合金低温强度铜高导热性非金属材料聚四氟乙烯密封玻璃纤维结构支撑陶瓷绝缘电气连接复合材料碳纤维轻量高强玻璃钢低热传导特种胶粘剂

低温密封技术静态密封O型圈、金属垫片动态密封低温轴封、波纹管常见问题热收缩、材料脆化解决方案特种合金、弹性设计

低温安全安全规程操作规范、应急预案防护措施特种手套、面罩、围裙冻伤处理复温技术、医疗救助窒息风险氧气监测、通风系统

低温物理实验技术概述1实验目的探索低温量子现象、材料特性研究2实验方法样品制备、温度控制、测量技术3数据分析误差分析、理论模型拟合