制冷與低溫應(yīng)用之超導(dǎo)

制冷與低溫應(yīng)用之超導(dǎo)第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六制冷技術(shù)的發(fā)展史人工制冷技術(shù)是從19世紀(jì)中也開始發(fā)展的。1834年美國發(fā)明家波爾金斯JacobPerkins）首次造出了以乙醚在封閉循環(huán)中膨脹制冷的蒸汽壓縮式制冷機(jī)1844年美國人戈里(JohnGarre)用空氣封閉循環(huán)造出了世界上第一臺(tái)制冷和空調(diào)用的空氣制冷機(jī)。1858年美國人尼斯取得了制冷庫設(shè)計(jì)的第一個(gè)美國專利，從此商用食品冷藏事業(yè)開始了發(fā)展。1859年法國人卡列設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)氨水吸收式制冷機(jī)。1910年萊蘭克發(fā)明了蒸汽噴射式制冷機(jī)。1929年發(fā)現(xiàn)了具有無毒、不燃燒性質(zhì)的氟利昂制冷劑后，制冷技術(shù)發(fā)展得更快了。20世紀(jì)80年代制冷行業(yè)步入新的歷史階段，同時(shí)，新的降溫方法擴(kuò)大了低溫范圍，并進(jìn)入了超低溫領(lǐng)域，現(xiàn)在低溫制冷溫度已達(dá)到mK級(jí)。第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六制冷與低溫溫區(qū)的劃分制冷120K以上制冷的溫度4.2至120K之間制冷的溫度4.2K以下的按照目前制冷學(xué)界多數(shù)人的觀點(diǎn)溫低制冷超低溫制冷Why？由于研究對象和人們習(xí)慣不同，因而往往產(chǎn)生不同的劃分第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用資源開發(fā)及環(huán)境保護(hù)-低溫輸電，超導(dǎo)電纜輸電，磁流體發(fā)電，超導(dǎo)貯能，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)及電動(dòng)機(jī)，受控?zé)岷朔磻?yīng)，液化天然氣及液氫燃料生產(chǎn)、貯運(yùn)等超導(dǎo)磁選礦，低溫破碎，低溫粉碎，資源勘探等污水、重金屬污染的磁分離，低溫脫硫，廢舊物資的低溫粉碎再利用，低溫凍結(jié)干燥等火箭推進(jìn)技術(shù)，輻射磁屏蔽，氫-氧燃料電池，宇航員及生命呼吸氣，空間環(huán)境模擬等能源空間技術(shù)第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六宇宙通訊，移動(dòng)通訊基站，超導(dǎo)高速計(jì)算機(jī)等超高靈敏度的檢測器，紅外探測器，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)測器(電流、磁場、電壓等)，激光器等純氧煉鋼，金屬冷處理，有色金屬冶金保護(hù)氣等電訊與電子計(jì)算機(jī)計(jì)量檢測技術(shù)冶金超高真空，冷黑空間模擬，薄膜技術(shù)(真空鍍膜)等真空技術(shù)第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六-高能燃料(液氫，液氧)，重氫提取，稀有氣體提取，氦資源保護(hù)與利用，各種氣體分離等超高速列車的超導(dǎo)磁懸浮裝置，低溫液化氣體的貯運(yùn)等水產(chǎn)品，畜產(chǎn)品，蔬菜，水果等快速冷凍貯存等化工交通運(yùn)輸食品-超導(dǎo)磁體，高速氣體軸承，超導(dǎo)直線加速器等機(jī)械第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六-低溫治療，低溫貯存，心磁儀，腦磁儀，π介子照射，超導(dǎo)核磁成像儀，低溫生物醫(yī)學(xué)研究等He3的提取，反應(yīng)堆材料低溫輻射試驗(yàn)，低溫吸附與液化精餾法回收反應(yīng)堆裂變氣，重氫的低溫精餾提取等高能物理加速器，氫氣泡室，超導(dǎo)與超流理論，等離子體物理，凝聚態(tài)物理，超低溫的獲得，自由基化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等醫(yī)療衛(wèi)生原子能利用基礎(chǔ)理論研究良種牲畜精液低溫貯存(人工繁殖)等畜牧業(yè)第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六其中超導(dǎo)體的研究是是當(dāng)今最熱話題之一，也是很有應(yīng)用前景的研究方向。超導(dǎo)體可以有非常大的用途，這也是各國科學(xué)家努力研究超導(dǎo)的重要原因。用超導(dǎo)體輸送電能可以大大減少消耗，用高溫超導(dǎo)體材料加工的電纜，其載流能力是常用銅絲的1200倍；利用超導(dǎo)體可以形成強(qiáng)大的磁場，可以用來制造粒子加速器等，如用于磁懸浮列車，列車時(shí)速可達(dá)500千米；利用超導(dǎo)體對溫度非常敏感的性質(zhì)可以制造靈敏的溫度探測器。超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、磁流體發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)輸電線路等。

第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)1908年，荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯(Hei-keKamerlinghOnnes，1853－1926)首次液化了氦氣。人們第一次達(dá)到了當(dāng)時(shí)地球上的最低溫度，大約4.2K左右。之前，人們已經(jīng)知道，隨著溫度的降低，金屬的電阻也會(huì)越來越小。那么，隨著溫度降到熱力學(xué)溫度零度附近時(shí)金屬的電阻會(huì)怎樣變化呢？第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)1911年，卡末林·昂內(nèi)斯和他的學(xué)生一起，選擇了當(dāng)時(shí)最容易提純的水銀作為實(shí)驗(yàn)材料，在液氦的溫度下進(jìn)行了認(rèn)真的研究。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果使他們大吃一驚。當(dāng)溫度降到4.2K左右時(shí)，水銀的電阻竟然突然地消失了！經(jīng)過反復(fù)檢查后，卡末林·昂內(nèi)斯終于證實(shí)了這是真實(shí)的情況。昂內(nèi)斯因?qū)ξ镔|(zhì)低溫性質(zhì)的研究和液氦的制備而獲得1913年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六將低溫超導(dǎo)材料付諸實(shí)用的一個(gè)關(guān)鍵問題就是將超導(dǎo)體冷卻到它們的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，使之進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，這就需要昂貴的液核技術(shù)，這顯然很難實(shí)用化和推廣應(yīng)用用超導(dǎo)材料制造的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、熱開關(guān)、輻射檢驗(yàn)器以及無接觸轉(zhuǎn)換開關(guān)、國防軍工儀器等已經(jīng)投入使用。超導(dǎo)現(xiàn)象刺激著科學(xué)家們的求知欲，但是由于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度太低，超導(dǎo)的設(shè)備、儀器、元件還需要在液氦溫區(qū)（4.2K）內(nèi)工作，於鈮三鍺合金(Nb3Ge)，其Tc為23.3K

（超導(dǎo)高低溫材料分界點(diǎn)）第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六人們不得不以巨額投資設(shè)計(jì)和建造龐大的液氦站，建立繁雜的輔助設(shè)備，把氣態(tài)的氦轉(zhuǎn)變成液體氦，然后通過輔助設(shè)備送到使用的裝置上去。所以當(dāng)超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度還是在23.3K的時(shí)候，科學(xué)家們的美夢，只好凍結(jié)在漂渺的腦海之中。然而，要提高超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，并不是一件輕而易舉的事。經(jīng)過75年的漫長歲月，超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度從4.2K到23.2K，僅提高了19K，這種緩慢的進(jìn)展速度，多么令人困擾！第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六柏諾茲(Bednorz)和繆勒(Miiller)于1986年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在3OK溫區(qū)的高溫銅氧化物超導(dǎo)體，為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)值的高溫超導(dǎo)體開辟了道路。他們于1987年獲諾貝爾獎(jiǎng)。1986年秋，中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢、陳立泉等人在鑭鋇銅氧和鑭鍶銅氧化物體系中觀察到了在46.3K和48.6K下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，同時(shí)物理研究所李林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，用濺射方法制備出超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為25～27K的鑭鍶鋇氧超導(dǎo)薄膜。中國的科學(xué)家，在高科技的國際競爭中已進(jìn)入角色。1993年，美國得克薩斯超導(dǎo)研究中心的美籍華人朱經(jīng)武宣布，他制備出氧化汞、鋇鈣銅的超導(dǎo)體超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為153K（零下120℃），這是目前的最高紀(jì)錄

第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六超導(dǎo)熱持續(xù)升溫，而且持續(xù)的時(shí)間在科學(xué)史上是最長的，涉及的人數(shù)也是最多的，這是什么原因呢？正如高溫超導(dǎo)體一出現(xiàn)，世界的科學(xué)家們就斷言：第四次工業(yè)革命即將到來。因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)體實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)電方面的應(yīng)用，全球的電力輸送，從發(fā)電到供配電模式都將全部改變，若能做到無損耗地輸電，僅美國一個(gè)國家一年即可節(jié)省100億美元。采用超導(dǎo)材料建設(shè)超導(dǎo)電子對撞機(jī)的電子貯存環(huán)，有可能使達(dá)到40萬億電子伏特的粒子發(fā)生對撞，對揭示神奇的微觀世界和物質(zhì)結(jié)構(gòu)元將有重大的貢獻(xiàn)。超導(dǎo)在弱電應(yīng)用方面，如電子通訊、信息技術(shù)、精密儀表、核物理、醫(yī)學(xué)、軍工、宇航的應(yīng)用均有著廣闊的前景。高溫超導(dǎo)的超導(dǎo)量子干涉儀已經(jīng)誕生，為在上述領(lǐng)域中制備有關(guān)儀器打下了基礎(chǔ)。超導(dǎo)材料的成功應(yīng)用。對電力工程、磁流體發(fā)電、超導(dǎo)電子學(xué)、地球物理、國防科學(xué)、生物磁學(xué)、醫(yī)學(xué)等十幾個(gè)學(xué)科都帶來重大影響，高溫超導(dǎo)材料在21世紀(jì)無疑會(huì)大放異彩。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六

上海引進(jìn)德國高速磁浮技術(shù)，修建了西起地鐵2號(hào)線龍陽路站，冬至浦東國際機(jī)場一期航站樓，長31公里的運(yùn)營線。2003年元月1日正式運(yùn)營。設(shè)計(jì)時(shí)速為505公里，運(yùn)行時(shí)速為430公里。為世界首條磁浮列車商運(yùn)線。。第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)以C-A5飛機(jī)運(yùn)往莫斯科第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)用于原子融合之超導(dǎo)科技8T陰陽超導(dǎo)磁鐵

第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六超導(dǎo)技術(shù)被用在電纜上第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六超導(dǎo)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置在定向武器上的應(yīng)用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)展.超導(dǎo)發(fā)電機(jī),推進(jìn)器在飛機(jī)上的應(yīng)用可大大提高飛機(jī)的生存能力,在航海中的應(yīng)用,可大大減小甚至沒有噪音,推進(jìn)速度快,可大大提高艦艇的生存,作戰(zhàn)能力,超導(dǎo)計(jì)算機(jī)應(yīng)用于C3I指揮系統(tǒng),可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高等等.隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展,高溫氧化物超導(dǎo)材料和有機(jī)物超導(dǎo)材料將不斷問世,目前超導(dǎo)還只應(yīng)用在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和高技術(shù)中,例如中國科學(xué)院合肥等離子體物理研究所,采用超導(dǎo)技術(shù)建成托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置(磁約束裝置),放電300ms,電流I=150kA,使我國核聚變研究能力向前跨進(jìn)一大步.第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六全球超導(dǎo)熱的浪潮，實(shí)際上是一場綜合國力和科學(xué)水平的競爭，形成了美、中、日三國三足鼎立的格局。誰都不甘落后，新的研究，新的成果不斷涌現(xiàn)，尤其是在1987～1988年間，幾乎是每三天都有高溫超導(dǎo)研究的新突破。還有一些科學(xué)家，如日本的科學(xué)家稱曾發(fā)現(xiàn)鍶鋇釔銅氧超導(dǎo)體系有零下60℃的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，一些科