粒子加速器技术——低温技术

1、温度计的分类：

热电偶和热电阻

常用的热电偶：铜-康铜热电偶、镍铬-金铁热电偶、镍铬-铜铁廉金属热电偶

常用的热电阻：铂电阻、碳电阻

低温标准情况下用：铑铁电阻、锗电阻

2、测温方法：

测量常温的原理和方法在低温下也适用，低温下的特点及苛刻条件，如引线漏热、辐射热、焦耳热和接触热阻等在低温下非常重要。

3、测温的热力学原理：

根据热力学第零定律和热自动平衡原理，可用温度计反映与之处于热平衡的其他物体的温度。

4、热电偶的工作原理：

热点现象：将两根不同性质的金属丝或者合金丝A和B，焊接组成一个闭合回路，称之为热电偶。一端为测量端（或工作端），另一端为参考端（或自由端），参考端接入测量仪表，其温度T_{0}通常是某个恒定温度。当热电偶两端温度不相等时，回路中就会有电流发生，产生热电势，这种现象被称为热点现象。热电势由接触电势和温差电势两部分组成。

接触电势：两种不同性质的金属A和B的接触处，由于其内部电子密度不同，就会发生自由电子的扩散现象。自由电子从密度大的金属A扩散到密度小的金属B。金属A和金属B之间会产生电位差，在接触处建立静电场U，使得电子数达到动态平衡，这时金属A和金属B之间形成的电位差称为接触电势，又称波尔贴电势。

温差电势：在一根均匀导体中，若两端温度不同，则自由电子将按温差在导体中形成密度梯度。当金属两端T>T_{0}时，自由电子将从T端向T_{0}端扩散，形成电位差，称为温差电势，又称汤姆逊电势。

热电偶回路的热电势：在热电偶回路中，两电极接触处有接触电势，A和B的两端之间有温差电势。回路中的总电势E_{AB}(T,T_{0})称作塞贝克电势，它等于回路中的各电势的代数和。

5、热电偶的三大基本定理：

均质导体定律

中间导体定律

中间温度定律

6、热电阻的测量原理：

热电阻测温原理是根据导体（或半导体）的电阻随温度变化而变化的性质，通过测量电阻值来表示被测对象的温度值。

7、温度的电测方法：

以测量热电偶温度计的电势值为主的测量方法

以测量电阻温度计的电阻值为主的测量方法

8、热电阻的测量：

用直流平衡电桥测量电阻：直流平衡电桥是用来测量电阻的比较仪器，优点是电源的波动不影响电桥的平衡，只影响电桥的灵敏度。在低温下，被测试样的电阻非常小，则不能不考虑引线电阻的影响，可将电桥改成三线制连接，使引线电阻近似地除掉，称为消除引线电阻影响的三线制桥路。

9、超流氦及1K以下的温度测量：

温度计：Speer碳电阻温度计、铑铁电阻温度计、锗电阻温度计

10、常见的低温工质：

120K温度区：

烃类：烷、烯、炔等，如石油气（主要为戊、己烷）、天然气（主要为甲烷）

80K温度区：

空气成分：氧、氩、氮等

超低温区：

20K温区：氢、氖

4K温区：氦

2K温区：超流氦

11、低温工质的一些普遍特点：

往往既作为制冷工质，又作为原料和产品

可以是相变制冷，也可以是单相制冷

单靠增加压力不能被液化

既可以是闭式循环，也可以是开式循环

热力循环横跨温区温差很大，通常需回收冷量

12、氮：

常压下沸点77.36K，凝固点63.2K

不燃不爆，无毒无味，无色

保护气体，用以隔离氧气

液氮（LN_{2}）是极好的冷源

主要作用：预冷剂、保存生命组织、低温外科治疗、低温粉碎

制备：空气分离法

液氮在超导领域的应用：

液氮可以为LHe循环提供预冷，为超导设备提供冷屏，节省液氦超低温冷量。同时，由于液氮的温度在78K左右，因此一些高温超导材料可以直接运行在液氮温区，极大的提高了超导设备运行的经济性。

13、氦：

沸点低

蒸发潜热很小，需要特制的真空容器来存储（杜瓦）

单靠降温得不到固体

无毒、无味、无色、性质稳定

极好的低温制冷剂，是20K以下唯一的制冷剂

He-4：常压下沸点：4.2K，临界温度5.195K，临界压力：0.2275MPa

He-3：常压下沸点：3.19K

制备：天然气提取（He-4），核衰变（He-3）

加速器低温领域常用的工质是He-4

两个三相点

2.5MPa以下得不到固体

存在一个液-液相变（高阶相变）

常流体液氦——超流液氦

按照状态和运输特性，把He-4的T-S图分为5个区域：气液两相区、近临界区、增压液氦区、超临界氦区、气氦区

氦气的显热较大，因此在设计液氦低温系统时，一方面需要考虑尽可能降低液氦杜瓦、传输管线、阀箱等低温设备的漏热，确保关键的冷量被用于超导设备上，另一方面也要尽可能利用液氮，冷氦气的冷量进行预冷和热隔断。

14、超流氦：

当液氦的温度低温2.17K后，将进入He-Ⅱ形态，此时呈现超流特性，超流氦具有一些奇特的属性，例如极高的导热性、几乎没有粘性等等，在粒子加速器领域有时会采用超流氦作为高性能超导设备的冷却剂。

超流氦可以流过半径为1e-4mm的小孔或者毛细管，，形成喷泉效应，还可以顺着碗口向上爬行而逃逸。

采用超流氦作为冷却介质，可以令其通过极为狭小的流通通道，不会形成流动阻力和气堵，因此可以极大的节约设计空间。

超流氦内部极大的热导率令其可以迅速的带走超导设备生成的热量，防止失超。

15、氢：

氢的分类：

仲氢，氢分子中的两个质子的自旋是反平行的

正氢，氢分子中的两个质子的自旋是平行的

正常氢，指高于室温的氢气当中有75%的正氢和25%的仲氢

液氢的汽化潜热比液氦大的多，是冷却能力很强的低温冷却剂

易燃易爆气体，与空气混合具有很宽的燃烧极限

16、低温领域的固体材料：

金属材料

铁素体钢

奥氏体钢

铜、铝及其合金

低温工程中对金属材料的要求：

低温下具有足够的塑性和韧性，并且具有较高的机械强度

稳定的金相结构

良好的工艺性能

来源广泛，价格便宜

适合某些特殊要求的物理特性，如抗磁、抗辐照等

非金属材料

聚四氟乙烯

玻璃纤维复合材料

氮化铝材料

高热导率陶瓷材料

低温工程中对非金属材料的要求：

冷收缩大部分发生在液氮温度以上

从液氮温度到液氦温度的附加收缩量较小，占总收缩量的约1/10

超导材料

高纯铌

铌三锡

铌钛超导合金

高温超导材料：Bi-2223/AgAu，YBCO

17、热传导：

傅里叶公式

18、热对流：

牛顿冷却定律

19、热辐射：

四次方公式

20、沸腾换热：

自然对流区

核态沸腾区

过渡沸腾区

膜态沸腾区

21、低温绝热技术：

膨胀泡沫绝热

高真空绝热

粉末绝热

真空多层绝热

22、真空多层绝热：

多层绝热由许多高反射能力的辐射屏与具有底热导率的间隔物的交替层所构成，绝热空间抽空到低于10_{-3}Pa的负压，企图将各种传热方式都降到最小，被认为是效率最高的一种绝热形式。

23、影响真空多层绝热的因素：

真空度的影响

层密度的影响

温度边界的影响

压缩负荷的影响

多层绝热安装时是将反射屏与间隔物相间缠绕的，为使多层包扎物贴在内容器的壁面上，在缠绕时必然造成一定的压缩负荷，其值与缠绕时的拉紧力、多层绝热物自身的重量（堆积密度）有关。

固体导热的影响

24、低温恒温器的设计要求：

在不同温度条件下的最大允许漏热

准直测量与振动的要求

内部流量计、传感器、液位计以及其他电子器件连接导线所需feed through的数量，以及外部控制器及仪表等

安全的要求（安全阀/爆破片）

尺寸和重量

所需的测量仪器

低温恒温器的组件容易获得性，尽量选用市场上容易获得的材料或器件，具有一定的通用性

要有现有的规范要求（如TUV或ASME或GB等）

光学窗口，用于准直测量研究，尤其在样机研究当中

注意电离辐射的存在，尤其是橡胶类密封件、电子元器件等

对低温恒温器的寿命进行预期

根据数量及特点确定恒温器的单一性或独特性，批量生产的低温恒温器具有结构及工艺的可操作性，考虑规模效益

进度和成本

一切设计都是妥协的结果，需要综合考虑

25、低温恒温器适用的材料：

奥氏体不锈钢

铝合金

铜

黄铜

纤维增强塑料

铌&钛

因瓦合金

铟

聚酰亚胺薄膜和聚酯薄膜（用于多层绝缘和电气绝缘）

石英

26、低温恒温器的安全问题：

当低温液体转化为300K气体时发生的大体积膨胀，因此可能出现较大的压力上升，这很容易导致材料失效和爆破。

27、低温恒温器的减压装置：

冗余设计，通常是安全阀+爆破片

该装置应在设备的最大允许工作压力或以下时设置开启

阀门的选型应该适用于最坏的情况

阀门在安装前应该进行测试和认证

确保没有受限制的体积

在设备和安全阀之间不要设置关闭阀

28、热力学第零定律：

如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。

29、热力学第一定律：

自然界中的一切物质都具有能量，能量既不可能被创造，也不可能被消灭，但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。

30、热力学第二定律：

热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。

31、热力学第三定律：

不能使用有限的手段使一个物体冷却到绝对零度，即绝对零度不能达到。

32、COP：

性能系数：从冷源吸收热量除以搬运这些热量所需的净功