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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N2 8

1.2.3　氦He 9

1.2.4 氖Ne 9

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-3 249

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