Cryogenic Technology and Applications pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Butterworth-Heinemann

作者:Jha, A. R.

出品人:

页数:292

译者:

出版时间:2005-12

价格:$ 89.21

装帧:HRD

isbn号码:9780750678872

丛书系列:

图书标签:

• 低温技术
• 低温工程
• 低温制冷
• 液化气体
• 超导
• 材料科学
• 物理学
• 工程学
• 应用
• 低温储存

冻结的奥秘：低温物理与工程的广阔天地 本书将带您深入探索一个令人着迷的领域——低温技术及其在现代科学与工业中的广泛应用。我们将从最基本的物理学原理出发，逐步揭示物质在接近绝对零度时所展现出的奇特行为，并详细阐述如何实现和维持这些极端环境。 第一部分：低温物理学基础 本部分致力于为读者构建坚实的理论基础。我们将从热力学和统计力学的角度出发，探讨温度的概念，并解释为什么达到极低温度对理解物质的本质至关重要。 第一章：温度的本质与尺度 热力学零点与绝对零度： 深入分析开尔文温标的建立，以及绝对零度（$0 ext{ K}$）在物理学中的终极意义。讨论第三定律的含义，即达到绝对零度在实验操作上的不可实现性。 气体动力学理论的局限性： 在低温下，经典气体理论失效。本章将引入量子统计的概念，解释粒子行为如何从经典统计向费米-狄拉克或玻色-爱因斯坦统计过渡。 低温测温技术概述： 介绍用于测量极低温度的各种仪器，包括电阻温度计（如铂电阻、碳阻），热敏电阻，以及基于磁性或拉曼散射原理的高精度传感器。特别关注在不同温度区间（从液氦温度到毫开尔文范围）适用的测温方法及其校准挑战。 第二章：物质的量子特性在低温下的显现 当温度降低时，物质的集体行为开始由量子力学主导。本章重点讨论几种标志性的低温现象。 超导电性（Superconductivity）： 现象描述与分类： 详述零电阻和迈斯纳效应（Meissner Effect）。区分I型和II型超导体，并解释磁通钉扎（Flux Pinning）在技术中的重要性。 理论基础： 深入介绍BCS理论（Bardeen-Cooper-Schrieffer），解释库珀对的形成机制及其在超导电性中的核心作用。讨论高温超导材料（如铜氧化物体系）的特性，以及它们对传统理论的挑战。 应用展望： 探讨超导磁体（如在核磁共振成像MRI和粒子加速器中的应用）、超导滤波器和量子计算中的量子比特。 液氦的奇特行为： 氦的同位素： 比较氦-3和氦-4的特性。 λ转变与超流体（Superfluidity）： 详细解释液氦-4在$2.17 ext{ K}$发生的相变，引入“二流体模型”来描述超流体组分（无粘性）和正常流体组分（有粘性）的共存。讨论滚动的毛细现象和量化涡旋。 氦-3的超流性： 介绍氦-3在极低温度下（毫开尔文范围）形成的费米子对，以及其与氦-4不同的P波配对机制。 磁性与退磁： 讨论顺磁性、抗磁性如何随温度变化。引入磁绝热去磁法（Adiabatic Demagnetization），这是达到毫开尔文温度的关键技术之一。 第二部分：低温系统的工程实现与技术 要利用低温现象，必须掌握高效、可靠地产生和维持极低温度的工程方法。本部分专注于制冷技术和相关的工程挑战。 第三章：制冷技术的核心原理 本章系统介绍实现不同温度区间的核心制冷循环。 蒸发冷却与液化气体： 阐述利用气体绝热膨胀或节流膨胀（焦耳-汤姆逊效应）进行初步冷却的原理。详细介绍如何通过液化空气和液化氮（LN2）实现$77 ext{ K}$的温度平台。 氦的循环制冷： 斯特林循环与脉管制冷机（Pulse Tube Refrigerator, PTR）： 重点分析PTR的工作机制，作为一种无运动部件的制冷机，它在消除振动和实现高可靠性方面的优势。解释再生器（Regenerator）在传热效率中的关键作用。 斯特林循环（Stirling Cycle）与盖勃瑞尔循环（Gifford-McMahon Cycle, GM）： 比较这两种用于产生低温（通常低于$10 ext{ K}$）的机械制冷循环的效率和应用场景。 稀释制冷机（Dilution Refrigeration）： 基本原理： 详细解释基于氦-3和氦-4混合物中熵增过程的制冷机制。描述如何通过${}^3 ext{He}$在${}^4 ext{He}$中扩散来吸收热量，实现从$1 ext{ K}$降至几毫开尔文（$ ext{mK}$）的极限冷却。 关键组件： 介绍混合室（Mixing Chamber）、蒸发器（Evaporator）和浓/稀相分离器（Concentration/Dilution Stages）的设计与运行。 第四章：低温系统设计与热管理 将低温系统与环境温度隔离是维持低功耗运行的核心工程挑战。 真空与绝热： 讨论多层绝热材料（MLI）的结构、热辐射屏蔽的原理，以及保持高真空（超高真空UHV）以消除气体传导热负荷的重要性。 热负荷分析： 如何精确计算和量化系统中的所有热输入源，包括传导热（通过支撑结构和电缆）、辐射热、工作热负荷（如电加热器或电流输入）以及剩余气体对流。 热沉与热交换网络： 设计高效的热沉结构，确保热量能快速、均匀地从实验体传输到制冷机的冷指。分析不同温度级间的热阻管理，包括使用机械连接、纯铜桥接或液氦“冷屏”进行中间热量吸收。 低温材料科学： 探讨在低温下材料性能的变化，如金属的脆性转变温度（DBTT）、热膨胀系数的急剧减小，以及电缆和绝缘体在极低温度下的电阻和介电特性。 第三部分：低温技术的关键应用 低温技术不再是纯粹的基础研究工具，它已渗透到能源、医疗和信息技术等多个关键行业。 第五章：医疗与生物技术中的低温应用 磁共振成像（MRI）： 阐述超导磁体如何产生高场强均匀磁场，以及液氦作为主要的冷却剂在维持磁体运行中的角色。分析氦气回收系统的必要性与经济性。 低温冷冻保存（Cryopreservation）： 讨论生物样本（如细胞、组织、器官）的冷冻保存技术。重点分析玻璃化冷冻（Vitrification）与传统慢速冷冻的区别，以及使用深低温（如液氮）对保护细胞结构的意义。 低温手术： 介绍聚焦超声或冷冻消融技术在治疗肿瘤或特定病变中的原理和优势。 第六章：能源与交通领域的突破 超导电网与输电： 讨论超导电缆（HTS/LTS）在实现零损耗电力传输方面的潜力。分析工程挑战，如如何将大型超导线圈集成到城市电网结构中，以及相应的保护机制。 磁悬浮列车（Maglev）： 区分常导磁浮与超导磁浮技术。重点分析基于超导体的悬浮系统，其高悬浮力和稳定性如何为高速交通提供可能。 核聚变研究： 探讨托卡马克装置中，超导磁体如何用于约束和控制高温等离子体，这是实现可控核聚变能源的关键技术障碍之一。 第七章：信息技术与前沿科学 量子计算与低温： 阐述超导量子比特（如Transmon）需要在极低温（通常低于$20 ext{ mK}$）下运行的原因，以抑制环境热噪声对量子相干性的破坏。讨论低温稀释制冷机在量子计算堆栈中的核心地位。 高灵敏度探测器： 介绍低温在开发高灵敏度辐射探测器中的作用，例如低温热量计（Bolometer）在红外天文学和粒子物理学中用于探测极微弱信号的原理。 本书力求提供一个全面、深入且具有工程实践指导意义的低温技术蓝图，激发读者对极低温物理世界的探索热情。

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