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绪论1

0.1　超导应用的低温技术1

0.2　低温实验技术与低温装置2

0.2.1　低温液体与实验装置2

0.2.2　低温测量与低温安全性3

0.3　超导材料的进展3

0.4　制冷机直接冷却4

0.5　超导应用低温技术的发展方向4

第1章　低温工程学基础6

1.1　热力学基本概念6

1.1.1　状态参数6

1.1.2　平衡态6

1.1.3　理想气体状态方程6

1.1.4　热力过程7

1.2　低温工质8

1.2.1　概述8

1.2.2 氮N28

1.2.3　氦He9

1.2.4 氖Ne9

1.3　热力学第一定律10

1.3.1 能量守恒及转换定律10

1.3.2　热功当量11

1.3.3　状态参数焓11

1.3.4　焦耳—汤姆逊效应12

1.4　热力学第二定律12

1.4.1 热力学第二定律的表述12

1.4.2　卡诺循环13

1.4.3　逆向卡诺循环——理想制冷循环14

1.4.4　状态参数熵14

1.4.5　？分析法16

1.5　超导热力学16

1.5.1 吉布斯自由能16

1.5.2　二级相变18

1.6　固体导热18

1.6.1　傅里叶定律18

1.6.2　具有超导转变的导热20

1.7　热辐射21

1.7.1　热辐射概念21

1.7.2　四次方定律22

1.7.3 密封空间内的辐射换热24

1.7.4　辐射屏原理25

1.8　流体与固体的热交换26

1.8.1 对流换热26

1.8.2　对流换热的数学描述26

1.8.3　对流换热的单值性条件29

1.8.4　边界层概念30

1.8.5　沸腾换热32

1.8.6　卡皮查热阻33

第2章　超导电性34

2.1　零电阻与超导转变温度34

2.2　迈斯纳效应34

2.3　临界电流和临界磁场35

2.4　二流体唯象模型35

2.5　BCS超导微观理论36

2.6　约瑟夫森效应37

2.7　磁通钉扎与磁通跳跃38

2.7.1　钉扎力与钉扎中心38

2.7.2　磁通跳跃38

2.8　超导体的交流损耗40

2.9　超导材料基本特性的测量42

2.9.1 超导转变温度Tc的测量42

2.9.2　临界电流Tc的测量45

2.9.3 临界磁场HC2的测量45

2.9.4　交流损耗的测量46

第3章　超导材料49

3.1　超导体的种类50

3.1.1　金属元素超导体50

3.1.2　合金超导体50

3.1.3　化合物超导体50

3.1.4　高温超导体57

3.2　实用低温超导材料60

3.2.1 实用NbTi合金61

3.2.2 实用A-15材料65

3.3　实用高温超导材料72

3.3.1　RE123氧化物超导材料和制备72

3.3.2　铋系氧化物超导材料和制备74

3.3.3　铊系氧化物超导材料和制备77

3.3.4 第二代（2G）高温超导线材78

3.3.5　二硼化镁超导材料82

3.4　超导应用对材料的要求84

第4章　低温接触界面热阻与直接冷却89

4.1　低温固体接触界面热阻89

4.1.1　三维界面热阻新概念89

4.1.2　低温界面热阻实验研究90

4.1.3 固体界面热阻预测模型99

4.1.4　低温界面层传热计算101

4.2　界面热传输特性的激光光热法研究105

4.2.1 非稳态法测量固体热导率105

4.2.2　激光光热法研究接触界面热阻114

4.3　超导直接冷却技术122

4.3.1　直接冷却技术的发展122

4.3.2 高温超导磁体直接冷却特性实验125

4.4　高温超导带材热导率130

4.4.1 具有金属包敷的高温超导带材130

4.4.2 高温超导Bi-2223带材的热导率131

4.5　高导热高电绝缘氮化铝材料136

4.5.1　概述136

4.5.2 氮化铝陶瓷的结构137

4.5.3 氮化铝的导热机理137

4.5.4 氮化铝的低温热导率138

4.5.5 影响氮化铝热导性能的主要因素140

第5章　低温温度测量144

5.1　低温测量概述144

5.1.1 测量技术的概念144

5.1.2　基本物理量单位与热力参量的检定144

5.2　低温温度测量145

5.3　测温的热力学原理147

5.4　热电偶测温技术148

5.4.1 热电偶的工作原理148

5.4.2　热电偶的制作151

5.4.3　参考点温度的处理151

5.4.4　热电偶测温误差的来源153

5.5　低温热电偶与常用热电偶特性153

5.5.1　镍铬—金铁合金热电偶153

5.5.2　镍铬—铜铁合金热电偶157

5.5.3　铜—铜镍合金（康铜）热电偶161

5.5.4　其它相关热电偶166

5.6　热电阻测温原理167

5.6.1　铂电阻温度计167

5.6.2　低温铑铁电阻温度计172

5.6.3　碳电阻温度计特性172

5.6.4　锗电阻温度计174

5.7　半导体二极管温度计及热敏电阻175

5.7.1　P-N结二极管175

5.7.2　热敏电阻176

5.8　温度的电测方法177

5.8.1 热电偶电势的测量177

5.8.2 电位差计的选择和正确使用178

5.8.3　热电偶的连接线路180

5.8.4 热电阻的测量181

5.9　气体温度计与蒸气压测温183

5.9.1 气体温度计183

5.9.2　用蒸气压测温183

5.10　超流氦及1K以下温度测量185

5.11　磁场对温度计特性的影响186

5.11.1 磁场对热电偶的影响186

5.11.2　磁场对电阻温度计的影响188

5.12　温度计安装方法188

5.12.1 温度计的安装188

5.12.2　引线传热与热沉190

5.12.3 温度计的焦耳热190

5.13 国际温标——温度的量值传递191

5.13.1　热力学温标191

5.13.2　1990年国际温标（ITS-90）191

5.13.3 （IPTS-68）国际实用温标193

5.13.4　0.5K～30K国际暂行温标（EPT-76）194

5.14　低温温度的量值传递与检定195

5.14.1　低温温度的量值传递195

5.14.2　低温温度计的检定195

第6章　真空的获得与测量198

6.1　基本概念198

6.2　真空中的气流198

6.2.1 气体分子的平均自由程199

6.2.2　低压气体中的输运状态200

6.3　真空系统的流导201

6.3.1 黏滞流时孔的流导201

6.3.2　黏滞流时管道的流导202

6.3.3　分子流时管道的流导204

6.4　低温吸附206

6.4.1　吸附的基本概念206

6.4.2　吸附等温线207

6.5　真空的获得209

6.5.1 真空获得的方法209

6.5.2　旋片式机械真空泵209

6.5.3　扩散泵的原理和结构212

6.5.4 真空泵油212

6.5.5 真空系统表面的处理214

6.6　真空的测量215

6.6.1　低真空测量216

6.6.2　高真空测量216

6.6.3 真空测量规管安装原则217

6.6.4　其它类型真空测量仪表218

6.6.5 液氦减压降温中的压力测量219

6.7　真空检漏技术219

6.7.1 放气和漏气的区别及判别219

6.7.2　常用检漏方法220

6.8　低温泵222

6.8.1　低温泵的工作机理222

6.8.2　低温泵的类型和性能223

6.8.3　斯特林循环制冷机224

第7章　低温流量的测量原理与方法226

7.1　流量测量方法概述226

7.2　管内的流动状态与速度分布226

7.3　动压测量管的工作原理227

7.4　热线法测量流速的原理228

7.5　标准节流装置230

7.5.1 节流压差法的原理230

7.5.2　标准节流装置232

7.5.3 节流装置的设计计算234

7.6　转子流量计与湿式气体流量计237

7.6.1　转子流量计原理238

7.6.2　湿式气体流量计239

7.7　进口流量管的工作原理239

7.8　小流速测量及气体流量计的校验241

7.8.1 小流速测量241

7.8.2　小流速的校验242

7.8.3 气体流量计的校验243

7.9　低温流体的流量测量245

7.9.1　概述245

7.9.2　涡街流量传感器原理245

7.9.3　涡轮流量变送器246

第8章　低温装置与G-M制冷机248

8.1　低温流体的应用248

8.1.1　液氮的应用249

8.1.2　氦-4和氦-3249

8.1.3　液氖的应用252

8.1.4　液氢253

8.2　低温装置253

8.2.1　储存杜瓦253

8.2.2 实验杜瓦254

8.2.3　直接冷却低温装置256

8.2.4　热力分析计算257

8.2.5　优化设计259

8.2.6　制造调试261

8.2.7　液氦输液管及输液261

8.2.8　低温热开关263

8.3　低温液面的测量方法264

8.3.1　超导法测量氦液面264

8.3.2 电阻法测量液面265

8.3.3 电容式低温液面计266

8.3.4　差压法低温液面测量原理267

8.4　G-M制冷机技术267

8.4.1 G-M制冷循环原理268

8.4.2　G-M制冷机结构269

8.4.3 实际制冷量、耗功、制冷系数和效率273

8.4.4　G-M制冷机特性274

8.4.5　制冷机的选用与匹配275

8.5　绝热技术276

8.5.1　堆积绝热276

8.5.2 高真空绝热277

8.5.3　真空—粉末绝热277

8.5.4　高真空多层绝热277

8.6　低温焊接与低温密封结构278

8.6.1　硬焊料278

8.6.2　软焊料279

8.6.3　低熔点焊料279

8.6.4　低温装置密封结构279

第9章　二元电流引线与超导磁体冷却技术281

9.1　概述281

9.2　二元电流引线281

9.2.1 二元电流引线热力学分析281

9.2.2 电流引线热稳定性分析284

9.3　二元电流引线优化设计285

9.3.1 制冷机功耗的优化285

9.3.2　热截流点温度的优化287

9.3.3　优化结果分析288

9.4　电流引线的电绝缘导热结构290

9.5　超导磁体稳定化291

9.5.1　超导Stekly判据292

9.5.2　绝热稳定化判据293

9.5.3　动态稳定判据294

9.5.4　超导磁体的退化和锻炼295

9.6　直接冷却超导磁体热力学分析296

9.6.1 直接冷却工作方式296

9.6.2　界面热阻对直接冷却的影响298

9.6.3　熵产率分析300

9.6.4　磁体有效热导率302

9.7　直接冷却超导磁体的动态实验306

9.7.1 恒流源电流加载实验306

9.7.2　动态模拟加载电流实验307

9.8　超导磁体设计308

9.8.1　超导材料的选用308

9.8.2　超导线电流密度的选择309

9.8.3　磁体磁场计算309

9.8.4　磁体结构310

9.8.5　超导磁体低温绝缘311

9.8.6　超导磁体的失超保护312

9.8.7　超导磁体的励磁314

9.9　超导磁体的交流损耗316

9.10　超导磁体冷却方式的比较316

第10章　超导技术的应用318

10.1　超导磁储能318

10.2　核聚变装置323

10.3　磁流体发电装置325

10.4　高能加速器327

10.5　超导核磁共振成像装置329

10.6　核磁共振谱仪（NMR）331

10.7　超导的弱电应用332

10.7.1 超导量子干涉器（SQUID）332

10.7.2　超导量子干涉器的应用334

附录　常用基本物理常数与压力单位换算336

附表1　常用基本物理常数推荐值336

附表2　纯金属的物理性质336

附表3　常用金属材料的电阻率337

附表4　常用材料的比热容338

附表5　各种材料的出气率Qg/A(Pa·m3/m2·s)339

附表6　压力单位的换算339

参考文献340