1、Institute of Refrigeration and Cryogenics低溫技術及其應用低溫技術及其應用巨永林巨永林 上海交通大學上海交通大學 制冷與低溫工程研究所制冷與低溫工程研究所機械與動力工程學院機械與動力工程學院A A樓樓412412室室1381647180513816471805，Institute of Refrigeration and Cryogenics低溫現象（自然的，人造的）低溫現象（自然的，人造的）低溫技術應用：科學、工程低溫技術應用：科學、工程主要內容主要內容低溫學：研究低溫的科學和技術低溫學：研究低溫的科學和技術低溫技術：如何獲得和維持低溫低溫技術：如何獲

2、得和維持低溫Institute of Refrigeration and Cryogenics教材：教材：制冷原理與技術，王如竹等編，科學出版社，制冷原理與技術，王如竹等編，科學出版社，20032003教學參考書：教學參考書：1.1.低溫系統，王如竹等編著，上海交通大學出版社，低溫系統，王如竹等編著，上海交通大學出版社，200020002.2.制冷與低溫原理，陳光明等編，機械工業出版社，制冷與低溫原理，陳光明等編，機械工業出版社，200020003.3.制冷與低溫技術原理，吳業正等著，高等教育出版社，制冷與低溫技術原理，吳業正等著，高等教育出版社，200420044.4.最新低溫制冷技術，陳國

3、邦等著，上海交通大學出版社，最新低溫制冷技術，陳國邦等著，上海交通大學出版社，200320035.5.Cryogenic Engineering, Flynn T.M.,New York,1997Cryogenic Engineering, Flynn T.M.,New York,19976.6.Cryogenic Engineering, Timmerhaus K. D. Reed, R.P. Cryogenic Engineering, Timmerhaus K. D. Reed, R.P. Reed. New York, 2007Reed. New York, 20077.7.The a

4、rt of cryogenics: low-temperature experimental The art of cryogenics: low-temperature experimental techniques/edited by Guglielmo Ventura and Lara techniques/edited by Guglielmo Ventura and Lara Risegari. Amsterdam; Boston: Elsevier, 2008Risegari. Amsterdam; Boston: Elsevier, 2008教材與教學參考書教材與教學參考書Ins

5、titute of Refrigeration and Cryogenics第一章第一章 低溫系統導論低溫系統導論(2(2學時學時) )第二章第二章 材料的低溫性能材料的低溫性能(4(4學時學時+2+2學時實驗學時實驗) ) 第三章第三章 氣體液化系統氣體液化系統(4(4學時學時) ) 第四章第四章 氣體分離及純化系統氣體分離及純化系統(4(4學時學時) ) 第五章第五章 小型低溫制冷機小型低溫制冷機(4(4學時學時+2+2學時實驗學時實驗) ) 第六章第六章 低溫貯運設備低溫貯運設備(4(4學時學時) ) 第七章第七章 真空技術及真空泵真空技術及真空泵(4(4學時學時+2+2學時實驗學時實驗

6、) ) 第八章第八章 低溫測量系統低溫測量系統(4(4學時學時) )教學安排教學安排Institute of Refrigeration and Cryogenics低低 溫溫Institute of Refrigeration and CryogenicsUniverse and Nature10101010101010101010100-2-4-6-8-10246810Temperature (K)Temperature (K)01299300301Absolute zeroTempscale5.cdrRoom temperature溫度計溫度計低溫低溫制冷制冷極低溫極低溫溫度計溫度計In

7、stitute of Refrigeration and Cryogenicsl 通過通過123K(-150)123K(-150)來分界溫區來分界溫區l 高于高于123K123K為制冷（為制冷（RefrigerationRefrigeration），又稱普），又稱普冷；冷；l 空調空調Air-ConditioningAir-Conditioning是制冷技術在其最高是制冷技術在其最高溫區的應用溫區的應用l 低于低于123K123K為低溫（為低溫（CryogenicsCryogenics）l “Refrigeration and Cryogenics”Refrigeration and Cryo

8、genics”低溫溫度的劃分低溫溫度的劃分Institute of Refrigeration and Cryogenics1.1. 低溫物理和低溫工程低溫物理和低溫工程2.2. 氣體液化和分離氣體液化和分離3.3. 熱力學和傳遞過程熱力學和傳遞過程4.4. 低溫制冷裝置低溫制冷裝置5.5. 低溫生物和低溫醫療低溫生物和低溫醫療6.6. 食品冷凍和保存食品冷凍和保存7.7. 低溫儲存低溫儲存8.8. 低溫運輸低溫運輸9.9. 空調空調10.10. 熱泵、冷能利用熱泵、冷能利用國際制冷學會（國際制冷學會（IIRIIR）Institute of Refrigeration and Cryogeni

9、cs地球上最冷的地方在南極：地球上最冷的地方在南極：-88.3-88.3C C，被稱為被稱為“世界寒極世界寒極”什么地方最冷？什么地方最冷？在月球的陰面，溫度為在月球的陰面，溫度為-160-160C C在宇宙深處，溫度為在宇宙深處，溫度為-270-270C CInstitute of Refrigeration and Cryogenics “絕對零度絕對零度”，即，即-273.15-273.15C C，用，用0K0K表示。表示。但這只是理論值，科學家正在通過實驗，但這只是理論值，科學家正在通過實驗，努力向它逼近。努力向它逼近。 在在19581958年，已達到距離年，已達到距離0K0K只有只有

10、1/1/萬，經過萬，經過十幾年的艱苦努力，終于逼近到距離十幾年的艱苦努力，終于逼近到距離0K0K只只有有1/1/億的新紀錄。億的新紀錄。冷的極限？冷的極限？Institute of Refrigeration and Cryogenics低低 溫溫 學學研究低溫的科學和技術原理研究低溫的科學和技術原理Institute of Refrigeration and Cryogenics研究如何獲得和維持低溫的科學和技術原理研究如何獲得和維持低溫的科學和技術原理根據在不同的低溫溫度區域，獲得低溫的方法及根據在不同的低溫溫度區域，獲得低溫的方法及研究對象，又可把制冷技術分為普冷技術和深冷研究對象，又可

11、把制冷技術分為普冷技術和深冷技術。技術。習慣上把普冷技術稱為制冷技術，把深冷技術稱習慣上把普冷技術稱為制冷技術，把深冷技術稱為低溫技術。獲得低溫的方式有很多，主要是相為低溫技術。獲得低溫的方式有很多，主要是相變制冷和節流膨脹制冷。變制冷和節流膨脹制冷。低溫制冷技術低溫制冷技術Institute of Refrigeration and Cryogenics 超導超導( (無電阻、完全抗磁性無電阻、完全抗磁性) )。雖然超導和材。雖然超導和材料研究力圖擺脫低溫的限制，但到目前為止料研究力圖擺脫低溫的限制，但到目前為止還必須依賴低溫還必須依賴低溫低溫，孕育了許多奇妙的物理現象，低溫，孕育了許多奇妙

12、的物理現象，使物質性質發生使物質性質發生奇特的變化，奇特的變化，成為物理學前沿研究不可或缺的手段成為物理學前沿研究不可或缺的手段 超流。液氦超流。液氦IIII表現出幾乎為表現出幾乎為0 0的流動阻力和的流動阻力和一些奇妙現象一些奇妙現象 高能物理。大型粒子加速器（加速粒子），高能物理。大型粒子加速器（加速粒子），探測器（測量碰撞后的粒子）探測器（測量碰撞后的粒子） 玻色玻色- -愛因斯坦凝聚：原子在接近愛因斯坦凝聚：原子在接近0K0K時特殊物態時特殊物態 Institute of Refrigeration and Cryogenics10101010101010101010100-2-4-6

13、-8-10246810Temperature (K)Center of hottest starsSupernova explosionsCenter of sunSurface of hottest starSurface of SunMetal boiling pointsFission (atomic) bombOrganic lifeAir liquefies He liquefies/Superfluid He44Superfluid He3Bose-Einstein and Fermionic condensatesColdest atomic temperature (sodiu

14、m atoms)Coldest temperature (bulk sample)Coldest nuclear temperature (rhodium nuclei)C ry o g e n icsU L TWarmest superconductor (140 K)C o n ve n tio n a lre frig e ratio nRoom temperatureN uc le arre a ction sHigh TF usio n (h ydrog en) b om bT e m p s ca le 4.c d rPlasmaS pa ce background (3 K )早

15、期的早期的NobelNobel物理學獎物理學獎S. BoseY ear19001910192019301940Nobel Prizes(begun in 1901)Onnes (1908 Liquid helium)Onnes (1911 Superconductivity)Max Planck (1900)Albert Einstein (1905)Louis de Broglie (1924)Werner Heisenberg (1927)William Giauque (1933)(1913) Properties of matter at low Tand production of

16、liquid helium(1918) Energy quantization(1921) Particle nature of light(1929) Wave nature of particles(1932) Uncertainty principle(1949) Thermochemistry and Adiabatic demagnetizationRed = Cryogenic phenomenaP . K apitza (193 8 Su p erflu id He -4)Willem Keesom (1926 solid He-4)Bose & Einstein (19

17、24 condensate)N o be l Priz e, 1 978Kamerlingh OnnesEinsteinInstitute of Refrigeration and CryogenicsYear197019721973197819851987199619971998200120032003Medicine198019902000Bardeen, Cooper, and SchriefferEsaki, Giaever, and JosephsonKapitza, et al.KlitzingBednorz and MullerDe GennesLee, Osheroff, an

18、d RichardsonChu, Tannoudji, and PhillipsLaughlin, Stormer, and TsuiCornell, Ketterl, and WiemanAbrikosov, Ginzburg, and LeggettLauterbur and MansfieldTheory of superconductivityTunneling in semi- & superconductorsInventions & discoveries in low temp. physicsQuantized Hall effectHigh-temperat

19、ure superconductorsOrdering in matter (supercond. & superfluids)Superfluidity in He-3Laser cooling and trapping of atomsFractional quantum Hall effectBose-Einstein condensation in dilute gasesTheory of superconductors and superfluidsMagnetic resonance imaging (MRI)Red = Cryogenic phenomenaNISTNI

20、ST近期的近期的NobelNobel物理學獎物理學獎Institute of Refrigeration and Cryogenics日常的低溫現象日常的低溫現象Institute of Refrigeration and Cryogenics 空氣在空氣在-196-196C C時會變時會變成淺藍色液體成淺藍色液體 塑料、橡膠、鮮艷的花塑料、橡膠、鮮艷的花朵、生雞蛋放進液氮中朵、生雞蛋放進液氮中會變成玻璃一樣，輕敲會變成玻璃一樣，輕敲會發出會發出“叮當叮當”聲，重聲，重敲會破碎敲會破碎低溫下的空氣低溫下的空氣低溫低溫- -性質性質Institute of Refrigeration and C

21、ryogenicsl 將一條金魚放入液態空氣中，再取出來時，它將一條金魚放入液態空氣中，再取出來時，它會變得硬邦邦，晶瑩剔透，仿佛水晶玻璃制成會變得硬邦邦，晶瑩剔透，仿佛水晶玻璃制成的工藝品。的工藝品。l 更為神奇的是，再將它放入水中時，它竟然復更為神奇的是，再將它放入水中時，它竟然復活了，又擺動著輕紗般的尾巴游了起來。活了，又擺動著輕紗般的尾巴游了起來。低溫低溫- -金魚金魚Institute of Refrigeration and Cryogenics 低溫時，金屬的內部結構低溫時，金屬的內部結構會變得松散會變得松散-金屬的金屬的“冷冷脆現象脆現象”。 錫，鋁、鎂甚至鋼鐵也都錫，鋁、鎂甚

22、至鋼鐵也都怕冷。怕冷。怕怕“冷冷”的金屬的金屬只有金屬銅和一些合金（如鋁合金、鈦合金等）不怕只有金屬銅和一些合金（如鋁合金、鈦合金等）不怕低溫。所以對于低溫設備，如盛液態空氣，常使用金低溫。所以對于低溫設備，如盛液態空氣，常使用金屬銅作容器屬銅作容器Institute of Refrigeration and Cryogenics 19131913年，俄羅斯一南極探險隊，由于裝汽油的鐵年，俄羅斯一南極探險隊，由于裝汽油的鐵箱是用錫焊的，一遇低溫，焊錫變成粉末，汽油箱是用錫焊的，一遇低溫，焊錫變成粉末，汽油全部漏光全部漏光探險隊全部遇難。之后，凡到南、探險隊全部遇難。之后，凡到南、北極或嚴寒地區

23、，油箱一律不許用錫焊北極或嚴寒地區，油箱一律不許用錫焊 19381938年和年和19401940年，在比利時，先后有兩座鐵橋在年，在比利時，先后有兩座鐵橋在嚴寒中轟然坍塌嚴寒中轟然坍塌 19431943年年2 2月，美國紐約附近的一個直徑月，美國紐約附近的一個直徑1212米的貯米的貯氣罐突然破裂氣罐突然破裂金屬冷脆帶來的災難金屬冷脆帶來的災難Institute of Refrigeration and Cryogenics 將液態空氣灑在地面，由于溫度驟降，將液態空氣灑在地面，由于溫度驟降，使地雷中的金屬彈簧變脆而失去彈性，使地雷中的金屬彈簧變脆而失去彈性，也不會爆炸也不會爆炸 應用冷脆技術，

24、不僅可以迅速粉碎那些應用冷脆技術，不僅可以迅速粉碎那些硬度高、彈性大的材料硬度高、彈性大的材料 ，還可以控制，還可以控制顆粒大小顆粒大小 對于回收廢鋼，在回爐煉鋼前的粉碎一對于回收廢鋼，在回爐煉鋼前的粉碎一直是個難題。過去用直是個難題。過去用14001400C C的電弧來的電弧來切割，既費力，又污染環境。現在利用切割，既費力，又污染環境。現在利用低溫冷脆技術，一小時可以粉碎低溫冷脆技術，一小時可以粉碎3030噸噸利用金屬利用金屬“冷脆冷脆”現象現象Institute of Refrigeration and Cryogenics超導現象超導現象將金屬鉛做成一個圓環，放入接近將金屬鉛做成一個圓環

25、，放入接近0K0K的超低溫的超低溫中，這時，鉛的電阻消失了！在環中通上電流，中，這時，鉛的電阻消失了！在環中通上電流，然后截斷電源，將整套裝置密封起來。放置二然后截斷電源，將整套裝置密封起來。放置二年后將裝置打開，測量電流強度，發現幾乎沒年后將裝置打開，測量電流強度，發現幾乎沒有變化！有變化！原來，超導環的電阻為原來，超導環的電阻為0 0，因此沒有能量損失，因此沒有能量損失，環中的電流可以幾年、十幾年、幾十年經久不環中的電流可以幾年、十幾年、幾十年經久不衰！衰！19331933年邁斯納發現，超導體一旦進入超導狀態，體內的磁通量年邁斯納發現，超導體一旦進入超導狀態，體內的磁通量將全部被排出體外，

26、磁感應強度恒為零，且不論對導體是先降將全部被排出體外，磁感應強度恒為零，且不論對導體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導狀態，超導溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導狀態，超導體就把全部磁通量排出體外。體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫降溫降溫加場加場加場加場S邁斯納效應：完全抗磁性邁斯納效應：完全抗磁性注：注：S S表示超導態表示超導態N N表示正常態表示正常態Institute of Refrigeration and Cryogenics在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，小磁鐵會離低于錫的轉變溫度時，小磁鐵會離開錫

27、盤飄然升起，升至一定距離后，開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了。便懸空不動了。邁納斯效應邁納斯效應: : 磁懸浮磁懸浮這是由于磁鐵的磁力線不能穿這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續過超導體，在錫盤感應出持續電流的磁場，與磁鐵之間產生電流的磁場，與磁鐵之間產生了排斥力，磁體越遠離錫盤，了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。動了。超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車磁懸浮磁懸浮Institute of Refrigeration and Cryogenics超導磁懸浮列車超導磁懸浮列

28、車(Maglev)(Maglev) Japan Railway 500 km/hr 10 cm lift LTS magnets 4 magnets/cryostat 7 W at 4 K 18 km test trackInstitute of Refrigeration and Cryogenics 導熱系數非常大導熱系數非常大 熱阻很小熱阻很小 粘度很小粘度很小 “ “噴泉現象噴泉現象” “” “爬行膜爬行膜” ” 可以無阻礙的通過極細的狹縫和小孔；并可以無阻礙的通過極細的狹縫和小孔；并在和任何固體表面接觸時會形成一層薄膜在和任何固體表面接觸時會形成一層薄膜（2 21010-5-5mmm

29、m）超流氦超流氦HeHe的特殊現象的特殊現象Institute of Refrigeration and CryogenicsHeHe中的中的噴泉效應噴泉效應 HeHe中的中的“爬行膜爬行膜現象現象” Institute of Refrigeration and Cryogenics超導應用超導應用Institute of Refrigeration and Cryogenics 目前世界上的電能約有目前世界上的電能約有1/41/4損耗在輸電線路上，損耗在輸電線路上，1/41/4損耗在變壓器上損耗在變壓器上 若使用無電阻的超導材料若使用無電阻的超導材料做輸電線路和變壓器，再做輸電線路和變壓器，

30、再采用一些絕熱技術，將實采用一些絕熱技術，將實現現“無損耗輸電無損耗輸電”，等于，等于增加了增加了1 1倍的發電量倍的發電量電力傳輸電力傳輸Institute of Refrigeration and Cryogenics最近科學家已設計制造出實用超導電纜：最近科學家已設計制造出實用超導電纜：利用一種合金氧化物（釔鋇銅氧）制成幾毫米的利用一種合金氧化物（釔鋇銅氧）制成幾毫米的帶子，纏繞在裝有流動液氮的管子上，再加上幾帶子，纏繞在裝有流動液氮的管子上，再加上幾層絕熱層，一根超導電纜就制成了。層絕熱層，一根超導電纜就制成了。它的輸電能力是銅的它的輸電能力是銅的30-4030-40倍。倍。超導電纜超

31、導電纜Institute of Refrigeration and Cryogenics研究人員已制造出超導磁體，它無電阻、無研究人員已制造出超導磁體，它無電阻、無熱損耗，易產生強大磁場，且節省電力：熱損耗，易產生強大磁場，且節省電力：5 5萬高斯的強磁場只需幾百瓦功率的電源，萬高斯的強磁場只需幾百瓦功率的電源，過去，一個產生過去，一個產生5 5萬高斯強磁場的磁體重量萬高斯強磁場的磁體重量達達2020噸，而目前只有幾公斤。噸，而目前只有幾公斤。超導磁體超導磁體Institute of Refrigeration and Cryogenics高速計算機的散熱高速計算機的散熱是超大規是超大規模集成

32、電路面臨的難題模集成電路面臨的難題而超導計算機中的超大規模而超導計算機中的超大規模集成電路，其元件間的互連集成電路，其元件間的互連線用接近線用接近零電阻零電阻的超導器件的超導器件來制作，不存在散熱問題，來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大同時計算機的運算速度大大提高。提高。超導計算機超導計算機Institute of Refrigeration and Cryogenics核能包括裂變能和聚變能。核能包括裂變能和聚變能。裂變裂變是重金屬元素是重金屬元素的質子通過裂變而釋放的巨大能量，目前已經的質子通過裂變而釋放的巨大能量，目前已經實現商用化。實現商用化。氘氚聚變氘氚聚變釋放出大量能

33、量，其燃料氘在地球上釋放出大量能量，其燃料氘在地球上幾乎可以說是無窮盡的。聚變反應堆不產生污幾乎可以說是無窮盡的。聚變反應堆不產生污染物質，產物沒有放射性，具有接近無限資源染物質，產物沒有放射性，具有接近無限資源的比較理想的能源。的比較理想的能源。聚變能聚變能是目前認識到的可以最終解決人類能源是目前認識到的可以最終解決人類能源和環境問題的最重要的途徑之一。和環境問題的最重要的途徑之一。核聚變核聚變Institute of Refrigeration and Cryogenics 磁約束（托卡馬克）磁約束（托卡馬克） 摜性約束（激光）摜性約束（激光） 核聚變是在核聚變是在近億度近億度的高溫下進行

34、，產生的高熱等的高溫下進行，產生的高熱等離子體，很難找到能承受如此高溫的容器，使得離子體，很難找到能承受如此高溫的容器，使得人工受控熱核反應久久不能實現人工受控熱核反應久久不能實現 利用超導磁體可以約束熱核反應在其中進行。因利用超導磁體可以約束熱核反應在其中進行。因為在近億攝氏度的高溫下，氫原子變成了一個個為在近億攝氏度的高溫下，氫原子變成了一個個帶電粒子，強大的磁場可以阻止它們外溢帶電粒子，強大的磁場可以阻止它們外溢 超導磁體應用是可控熱核聚變研究的一次重大突超導磁體應用是可控熱核聚變研究的一次重大突破，使得破，使得磁容器磁約束磁容器磁約束的連續穩態運行成為現實的連續穩態運行成為現實如何實現

35、連續可控核聚變？如何實現連續可控核聚變？Institute of Refrigeration and Cryogenics 大體積超導磁體相對于常規磁體可大大節約電大體積超導磁體相對于常規磁體可大大節約電能，從而提高能量使用的效率。能，從而提高能量使用的效率。 超導磁體的電流密度更高，從而減小裝置的尺超導磁體的電流密度更高，從而減小裝置的尺寸，節約投資。寸，節約投資。 現在對于托卡馬克裝置，除了縱場磁體外，極現在對于托卡馬克裝置，除了縱場磁體外，極向場磁體也開始采用超導技術。向場磁體也開始采用超導技術。 中國科學院等離子體物理研究所的中國科學院等離子體物理研究所的EASTEAST裝置裝置和和在

36、法國正在建設中的在法國正在建設中的ITERITER裝置裝置。超導磁約束超導磁約束ITER:ITER:國際熱核聚變實驗堆國際熱核聚變實驗堆 超導托克馬克裝置超導托克馬克裝置 裝置中心是高溫氘氚等離子體裝置中心是高溫氘氚等離子體環：環：15MA15MA的等離子體電流的等離子體電流，核核聚變反應功率達聚變反應功率達5050萬萬kWkW，每秒，每秒釋放多達釋放多達10001000個高能中子個高能中子。 1818個大型超導環向場線圈，將個大型超導環向場線圈，將產生產生5.3T5.3T的環向強磁場的環向強磁場。中心。中心是一個巨大的超導線圈筒，在是一個巨大的超導線圈筒，在環向場線圈外側有環向場線圈外側有6

37、 6個大型環個大型環向超導線圈。向超導線圈。 線圈的作用是產生等離子體電線圈的作用是產生等離子體電流和控制等離子體位形。流和控制等離子體位形。 系統罩于一個低溫杜瓦中，坐系統罩于一個低溫杜瓦中，坐落于底座上，構成實驗堆本體落于底座上，構成實驗堆本體Institute of Refrigeration and CryogenicsITER:ITER:超導磁體和低溫系統超導磁體和低溫系統 ITERITER縱場導體和中心螺管導體采用縱場導體和中心螺管導體采用NbNb3 3SnSn，其余導，其余導體采用體采用NbTiNbTi材料，超導磁體總重量約材料，超導磁體總重量約1013010130噸噸 所有磁體

38、采用所有磁體采用4.5K4.5K超臨界氦迫流冷卻超臨界氦迫流冷卻，設計的低，設計的低溫制冷系統提供溫制冷系統提供55kW55kW制冷量制冷量，流量是，流量是0.13kg/s0.13kg/s。80K80K的熱輻射屏需要的冷量大約是的熱輻射屏需要的冷量大約是660kW660kW。 整個體系還包括：供電系統、供水系統、氚工廠整個體系還包括：供電系統、供水系統、氚工廠、高真空系統、大型液氮、液氦低溫系統等。、高真空系統、大型液氮、液氦低溫系統等。 其中大型氦低溫技術和系統是保障其中大型氦低溫技術和系統是保障ITERITER裝置可靠裝置可靠工作的前提和基礎，用以支持其內部各種大中型工作的前提和基礎，用以

39、支持其內部各種大中型超導磁體的運行。超導磁體的運行。Institute of Refrigeration and CryogenicsITERITER：歷史和現狀：歷史和現狀 19871987年，美、蘇、歐、日開始年，美、蘇、歐、日開始ITERITER設計設計 19911991年，西班牙、法國、日本、加拿大提出申請，日本和年，西班牙、法國、日本、加拿大提出申請，日本和法國入圍，加拿大于法國入圍，加拿大于20032003年年1212月宣布因缺乏資金退出。月宣布因缺乏資金退出。 19991999年，美國因自認為在核聚變技術上領先其他國家，宣年，美國因自認為在核聚變技術上領先其他國家，宣布退出，后又

40、因國內熱核聚變研究進展緩慢，擔心被布退出，后又因國內熱核聚變研究進展緩慢，擔心被ITERITER甩下，于甩下，于20032003年年2 2月重新加入。中國也在同日正式入盟月重新加入。中國也在同日正式入盟 20062006年年6 6月，在計劃提出月，在計劃提出2020年，選址耗時年，選址耗時1818年后，年后，ITERITER的建的建設地點終于花落法國南部。歐盟、美國、俄羅斯、日本、設地點終于花落法國南部。歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度、中國共投資韓國、印度、中國共投資100100億歐元，開始工程建設。億歐元，開始工程建設。 預計預計20162016年建成。它將成為世界第一個產出能量大于輸

41、入年建成。它將成為世界第一個產出能量大于輸入能量的核聚變裝置，為制造真正的反應堆作準備。這是一能量的核聚變裝置，為制造真正的反應堆作準備。這是一個事關世界未來能源安全的重大國際合作項目，其意義不個事關世界未來能源安全的重大國際合作項目，其意義不亞于人類基因組計劃和國際空間站。亞于人類基因組計劃和國際空間站。Institute of Refrigeration and Cryogenics 低溫技術還可以使低溫技術還可以使生命冷藏生命冷藏成為可能成為可能 前面的金魚凍僵又復活的實驗生動地前面的金魚凍僵又復活的實驗生動地告訴我們：生命可以冷藏！但必須是告訴我們：生命可以冷藏！但必須是“速凍速凍”才

42、能復活，如果是緩慢降至才能復活，如果是緩慢降至超低溫，仍無法復活超低溫，仍無法復活冷凍生命冷凍生命Institute of Refrigeration and Cryogenics因為緩慢降溫時，動物細胞中的水分會結冰，因為緩慢降溫時，動物細胞中的水分會結冰，使體積膨脹，于是細胞壁破裂而死亡。使體積膨脹，于是細胞壁破裂而死亡。當當“速凍速凍”至超低溫時，細胞中的水分來不及至超低溫時，細胞中的水分來不及膨脹，細胞壁也不會破裂，雖然細胞停止了活膨脹，細胞壁也不會破裂，雖然細胞停止了活動，不再進行新陳代謝，一旦溫度上升，生命動，不再進行新陳代謝，一旦溫度上升，生命可以復活。可以復活。目前，科學家正在

43、加緊探索其中的奧秘，尋找目前，科學家正在加緊探索其中的奧秘，尋找一種可以延長人類壽命的新途徑。一種可以延長人類壽命的新途徑。必須必須“速凍速凍”Institute of Refrigeration and Cryogenics 19671967，美國物理學家詹姆斯，美國物理學家詹姆斯. .倍德福身患癌癥，倍德福身患癌癥，他請醫生為自己做了他請醫生為自己做了“速凍冷藏速凍冷藏”處理，經處理，經8 8小小時處理，將體溫迅速降至時處理，將體溫迅速降至-196-196C C超低溫，然后超低溫，然后裝進一個合金鋼器具里，放進一座裝進一個合金鋼器具里，放進一座“冰墓冰墓”中，中，冰墓內的溫度保持在冰墓內的

44、溫度保持在-200-200C C。速凍速凍“冷藏人冷藏人” 現在國外已經建有幾座這樣的冰墓，有幾十個現在國外已經建有幾座這樣的冰墓，有幾十個“速凍冷藏人速凍冷藏人”停留者，他們將度過停留者，他們將度過100100年甚至年甚至幾百年，期待醫學發達可以根治自己的疾病時幾百年，期待醫學發達可以根治自己的疾病時再復蘇過來。再復蘇過來。Institute of Refrigeration and Cryogenics冰墓設備先進冰墓設備先進完全自動管理完全自動管理甚至不怕停電和地震等災害甚至不怕停電和地震等災害20萬美元/每具速凍速凍“冷藏人冷藏人”的安全性和價格的安全性和價格Institute of

45、Refrigeration and Cryogenics首先，首先，“速凍冷藏速凍冷藏”處置必須在生前活著時去處置必須在生前活著時去做，實際很難確定，甚至會有謀殺的嫌疑；做，實際很難確定，甚至會有謀殺的嫌疑；其次，對其次，對“冰墓冰墓”中的人如何稱呼？委婉地稱中的人如何稱呼？委婉地稱其為其為“患者患者”，事實上已停止心跳和呼吸，與，事實上已停止心跳和呼吸，與普通患者完全不同；普通患者完全不同；最后，最后，100100年或幾百年后，他的后代是否會同意年或幾百年后，他的后代是否會同意”老祖宗老祖宗”再復活再復活“重返人間重返人間”呢？呢？這些涉及法律和道德上的新問題也是現代新科這些涉及法律和道德上

46、的新問題也是現代新科技為人類帶來的新問題。技為人類帶來的新問題。對生命速凍的看法對生命速凍的看法Institute of Refrigeration and Cryogenics低溫應用研究進展低溫應用研究進展 美國能源部美國能源部2020年大科年大科學工程發展規劃學工程發展規劃Institute of Refrigeration and Cryogenics2828個項目個項目RHIC at BNLRHIC at BNL4 miles circumferenceSM working at 4.5KLHC at CERNLHC at CERN歐洲粒子物理研究中心歐洲粒子物理研究中心4.3 km

47、4.3 km radius, 27 km circumference, 100 m undergroundLHC:LHC:采用超流氦采用超流氦(1.8K)(1.8K)冷卻的超導磁體冷卻的超導磁體Institute of Refrigeration and CryogenicsLHC PhysicsLHC PhysicsAtlas detectorAtlas detectorDiameter: 25 mBarrel toroid length: 26 mChamber span: 46 mOverall weight: 7000 TA Toroidal LHC ApparatusATLAS Gr

48、oup151 Institutions from 35 Countries2200 PhysicistsInstitute of Refrigeration and Cryogenics空間和軍事技術空間和軍事技術 火箭推進劑：液氧、液氫。液氫液氧發動機推力火箭推進劑：液氧、液氫。液氫液氧發動機推力比煤油液氧強大約比煤油液氧強大約30%30%，已用于土星，已用于土星5 5號運載火箭號運載火箭完成登月任務。美國單臺氫氧發動機推力已超過完成登月任務。美國單臺氫氧發動機推力已超過2MN2MN。液固氫混合物（氫漿或膠氫）。液固氫混合物（氫漿或膠氫） 空間設備的地面模擬試驗：航天器地面試驗需要空間設備的

49、地面模擬試驗：航天器地面試驗需要模擬空間的冷黑和高真空環境，也包括發動機大模擬空間的冷黑和高真空環境，也包括發動機大量高溫排氣的處理以保持實驗艙環境的問題量高溫排氣的處理以保持實驗艙環境的問題 空間紅外遙感遙測空間紅外遙感遙測: :光電子器件在低溫下光電子器件在低溫下, ,熱噪聲熱噪聲低、靈敏度高、運行速度快低、靈敏度高、運行速度快Institute of Refrigeration and Cryogenics低溫液體火箭推進低溫液體火箭推進Ariane 5(25t HAriane 5(25t H2 2,130t O,130t O2 2) )AMS-02AMS-02采用工作在超流氦溫度采用工

50、作在超流氦溫度(1.8K)(1.8K)下的超導磁替代下的超導磁替代AMS-01AMS-01的永磁體，的永磁體，AMS-02AMS-02探測器的靈敏度探測器的靈敏度大大提高（大大提高（6 6倍以上）倍以上）探索暗物質探索暗物質探索反物質探索反物質AMS-2AMS-2 L La au un nc ch h M M i i s ss si i o on n T Te el l e es sc co op pe e D D i i a am m . . m m T Te el l e es sc co op pe e T Te em m p p. . K K D D e et te ec ct to

51、or r T Te em m p p. . K K S Sc ci i e en nc ce e F Fu un nd di i n ng g 1 19 98 83 3 1 19 98 89 9 1 19 99 95 5 2 20 00 01 1 2 20 00 03 3 IR A S C O B E ISO W M A P SPITZER 0.6 0.2 (D IR B E) 0.6 1.5 0.8 3 1.6 3 90 5 3 1.6 1.8 1.6 FIR -Survey C osm i c B ackground FIR O bservatory C osm i c B ackground FIR -O bservatory N A SA , N L, U K N A SA ESA N A SA N A SA 2 20 00 05 5 2 20 00 07 7 2 20 00 07 7 2 20 01 11 1 A STR O -F H ER SC H EL PLA N C K JW ST 0.7 3.5 1.8 6.0 6 70 40