低温实验导论（下）
定价：￥108.00
作者： 林熙
出版时间：2025-03
最新印次日期：2025-1
出版社：北京大学出版社
- 北京大学出版社
- 9787301358757
- 1版
- 49269370-0
- 16开
- 2025-03
- 理学
- 物理学类
- 物理学类
- 本科
作者简介
内容简介
本书分上、下册，主要介绍低温实验的核心理论、实践指导，以及该领域的最新进展，可以作为该领域工作人员的重要入门书籍和参考书。
上册内容包括全面的低温常识概述和简明但深刻的物理原理，主要目标读者是低温实验的初学者，包括高年级本科生和低年级研究生，希望为他们提供开展实验研究所需的知识储备。
下册深入探讨了制冷和低温技术的历史及主要发展进程，提供了最新的研究进展和自制实验装置的实用建议。此外，本套书还提供了详尽的材料性能低温数据整理，希望经验丰富的科学家和工程师也能从中受益。
本书的独特之处在于，在不脱离实用性的前提下，采用了易于新手理解的讲授方法，上、下册通过超过400幅自绘图和100多张表格，帮助读者迅速掌握低温实验的基本概念和知识框架。
上册内容包括全面的低温常识概述和简明但深刻的物理原理，主要目标读者是低温实验的初学者，包括高年级本科生和低年级研究生，希望为他们提供开展实验研究所需的知识储备。
下册深入探讨了制冷和低温技术的历史及主要发展进程，提供了最新的研究进展和自制实验装置的实用建议。此外，本套书还提供了详尽的材料性能低温数据整理，希望经验丰富的科学家和工程师也能从中受益。
本书的独特之处在于，在不脱离实用性的前提下，采用了易于新手理解的讲授方法，上、下册通过超过400幅自绘图和100多张表格，帮助读者迅速掌握低温实验的基本概念和知识框架。
目录
目录
第四章低温制冷……………………………………………………………………………………………………………………………1
4.1 4He 制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………1
4.1.1 液氦制冷……………………………………………………………………………………………………………………2
4.1.2 液氦蒸发制冷……………………………………………………………………………………………………………4
4.1.3 常规低温热源……………………………………………………………………………………………………………9
4.1.4 持续流制冷机……………………………………………………………………………………………………………17
4.2 干式制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………19
4.2.1 斯特林制冷和GM 制冷…………………………………………………………………………………………19
4.2.2 脉冲管制冷原理………………………………………………………………………………………………………24
4.2.3 脉冲管制冷机的最低温度与制冷功率……………………………………………………………………29
4.2.4 焦汤制冷……………………………………………………………………………………………………………………34
4.2.5 干式预冷、振动的影响与3He 液化………………………………………………………………………39
4.3 3He 制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………45
4.3.1 3He 蒸发制冷……………………………………………………………………………………………………………46
4.3.2 液体4He 预冷的连续降温制冷机与单次降温制冷机…………………………………………48
4.3.3 3He 制冷机操作中的注意事项参考………………………………………………………………………52
4.3.4 干式3He 制冷机………………………………………………………………………………………………………55
4.3.5 供应紧张的匮乏资源|| 3He ………………………………………………………………………………57
4.4 压缩制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………59
4.5 稀释制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………64
4.5.1 稀释制冷的原理………………………………………………………………………………………………………64
4.5.2 制冷功率与其他特征参数………………………………………………………………………………………68
4.5.3 稀释制冷机核心结构讨论: 蒸发腔…………………………………………………………………………74
4.5.4 稀释制冷机核心结构讨论: 蒸馏室…………………………………………………………………………76
4.5.5 稀释制冷机核心结构讨论: 热交换器………………………………………………………………………79
4.5.6 稀释制冷机核心结构讨论: 混合腔…………………………………………………………………………82
4.5.7 稀释制冷机核心结构讨论: 特征温度盘与机械固定………………………………………………85
4.5.8 稀释制冷机操作中的注意事项参考………………………………………………………………………88
4.5.9 商业化来源的稀释制冷机: 干式预冷与液氦预冷…………………………………………………89
4.5.10 商业化来源的稀释制冷机: 参数和辅助功能讨论………………………………………………94
4.5.11 常见故障的诊断和处理…………………………………………………………………………………………97
4.5.12 非常规稀释制冷设计方案………………………………………………………………………………………104
4.6 电绝热去磁制冷……………………………………………………………………………………………………………………107
4.6.1 绝热去磁过程……………………………………………………………………………………………………………108
4.6.2 电绝热去磁制冷的制冷剂………………………………………………………………………………………115
4.6.3 多级绝热去磁……………………………………………………………………………………………………………119
4.6.4 绝热去电制冷……………………………………………………………………………………………………………123
4.7 核绝热去磁制冷……………………………………………………………………………………………………………………124
4.7.1 核绝热去磁制冷介绍………………………………………………………………………………………………125
4.7.2 核绝热去磁制冷中的温度………………………………………………………………………………………130
4.7.3 常规制冷剂………………………………………………………………………………………………………………137
4.7.4 基于超精细增强效应的制冷剂………………………………………………………………………………143
4.7.5 极低温下的漏热………………………………………………………………………………………………………146
4.7.6 特殊核绝热去磁设计………………………………………………………………………………………………151
4.8 隧穿制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………154
第四章参考文献………………………………………………………………………………………………………………………………157
第五章辅助技术……………………………………………………………………………………………………………………………174
5.1 真空常识…………………………………………………………………………………………………………………………………174
5.1.1 真空基础知识……………………………………………………………………………………………………………174
5.1.2 稀薄气体理论……………………………………………………………………………………………………………177
5.1.3 气体导热……………………………………………………………………………………………………………………181
5.1.4 抽速……………………………………………………………………………………………………………………………183
5.1.5 流导……………………………………………………………………………………………………………………………185
5.2 压强与流量的测量…………………………………………………………………………………………………………………188
5.2.1 压强测量注意事项……………………………………………………………………………………………………188
5.2.2 真空规………………………………………………………………………………………………………………………189
5.2.3 流量计………………………………………………………………………………………………………………………195
5.3 泵和压缩机……………………………………………………………………………………………………………………………197
5.3.1 容积压缩泵………………………………………………………………………………………………………………197
5.3.2 涡旋泵………………………………………………………………………………………………………………………199
5.3.3 隔膜泵………………………………………………………………………………………………………………………200
5.3.4 涡轮分子泵………………………………………………………………………………………………………………201
5.3.5 罗茨泵………………………………………………………………………………………………………………………202
5.3.6 扩散泵………………………………………………………………………………………………………………………203
5.3.7 低温泵………………………………………………………………………………………………………………………204
5.3.8 吸附泵、钛升华泵和离子泵……………………………………………………………………………………206
5.3.9 泵分类方式与真空系统注意事项……………………………………………………………………………207
5.3.10 压缩机………………………………………………………………………………………………………………………212
5.3.11 泵的减振、干式制冷机减振、其他减振………………………………………………………………213
5.4 密封与检漏……………………………………………………………………………………………………………………………222
5.4.1 法兰……………………………………………………………………………………………………………………………223
5.4.2 阀门……………………………………………………………………………………………………………………………228
5.4.3 常规管道……………………………………………………………………………………………………………………231
5.4.4 小型管道、低温管道和自制真空腔体……………………………………………………………………232
5.4.5 可拆卸自制密封………………………………………………………………………………………………………235
5.4.6 焊接……………………………………………………………………………………………………………………………237
5.4.7 非金属表面密封………………………………………………………………………………………………………240
5.4.8 漏气现象……………………………………………………………………………………………………………………241
5.4.9 放气、渗气、蒸发和虚漏…………………………………………………………………………………………244
5.4.10 检漏方法…………………………………………………………………………………………………………………247
5.5 热交换气和干式制冷辅助降温手段……………………………………………………………………………………251
5.5.1 热交换气……………………………………………………………………………………………………………………251
5.5.2 干式制冷辅助降温手段……………………………………………………………………………………………253
5.6 热开关……………………………………………………………………………………………………………………………………255
5.6.1 气体热开关和液体热开关………………………………………………………………………………………255
5.6.2 机械热开关………………………………………………………………………………………………………………259
5.6.3 超导热开关………………………………………………………………………………………………………………261
5.7 杜瓦…………………………………………………………………………………………………………………………………………263
5.7.1 常规低温隔热……………………………………………………………………………………………………………264
5.7.2 实验杜瓦基本结构……………………………………………………………………………………………………267
5.7.3 移动杜瓦基本结构与阀门………………………………………………………………………………………273
5.8 液氦与液氮传输……………………………………………………………………………………………………………………275
5.8.1 液体传输……………………………………………………………………………………………………………………275
5.8.2 液面探测……………………………………………………………………………………………………………………282
5.9 磁体简介…………………………………………………………………………………………………………………………………287
5.9.1 恒流超导螺线管磁体………………………………………………………………………………………………288
5.9.2 超导螺线管磁体的使用和保护………………………………………………………………………………294
5.9.3 小磁场线圈的绕制……………………………………………………………………………………………………300
5.9.4 其他磁体……………………………………………………………………………………………………………………302
5.10 氦样品制备……………………………………………………………………………………………………………………………303
5.10.1 液体与固体样品生长………………………………………………………………………………………………303
5.10.2 样品质量…………………………………………………………………………………………………………………307
5.11 低温实验与安全……………………………………………………………………………………………………………………308
5.11.1 通用实验安全…………………………………………………………………………………………………………309
5.11.2 高压气瓶安全…………………………………………………………………………………………………………313
5.11.3 低温液体安全…………………………………………………………………………………………………………315
第五章参考文献………………………………………………………………………………………………………………………………320
第六章测量和设计实例………………………………………………………………………………………………………………333
6.1 简单电测量……………………………………………………………………………………………………………………………333
6.1.1 电阻测量简介……………………………………………………………………………………………………………333
6.1.2 常见低温交流测量电路……………………………………………………………………………………………336
6.1.3 极大电阻和极小电阻的测量……………………………………………………………………………………339
6.1.4 噪声……………………………………………………………………………………………………………………………342
6.1.5 滤波与接地………………………………………………………………………………………………………………345
6.1.6 引线类型、接口和热沉……………………………………………………………………………………………354
6.1.7 样品座………………………………………………………………………………………………………………………362
6.1.8 接触电阻、门电极和接地保护…………………………………………………………………………………365
6.1.9 电阻值定标………………………………………………………………………………………………………………368
6.2 电测量中的温度……………………………………………………………………………………………………………………369
6.2.1 电阻温度计的测量……………………………………………………………………………………………………369
6.2.2 电子温度……………………………………………………………………………………………………………………372
6.3 交流法比热测量……………………………………………………………………………………………………………………378
6.4 转动惯量测量…………………………………………………………………………………………………………………………383
6.5 低温压强测量…………………………………………………………………………………………………………………………384
6.6 静液压……………………………………………………………………………………………………………………………………388
6.7 旋转样品座……………………………………………………………………………………………………………………………389
6.8 液氦蒸发腔插杆……………………………………………………………………………………………………………………390
6.9 干式闭循环蒸发制冷……………………………………………………………………………………………………………393
6.10 干式核绝热去磁制冷机………………………………………………………………………………………………………394
6.10.1 核绝热去磁制冷机基本框架…………………………………………………………………………………395
6.10.2 核绝热去磁制冷机温度测量与温标………………………………………………………………………404
6.10.3 核绝热去磁制冷机性能…………………………………………………………………………………………412
6.10.4 核绝热去磁制冷机测量系统…………………………………………………………………………………419
6.11 量子计算中的低温环境需求………………………………………………………………………………………………423
6.12 三维零件打印………………………………………………………………………………………………………………………425
6.13 氦气回收与液化……………………………………………………………………………………………………………………426
第六章参考文献………………………………………………………………………………………………………………………………431
第七章附录……………………………………………………………………………………………………………………………………442
7.1 附录一: 扩展阅读…………………………………………………………………………………………………………………442
7.2 附录二: 物理量与常用物理常量…………………………………………………………………………………………444
7.3 附录三: 数值前缀与单位换算………………………………………………………………………………………………449
英汉对照索引………………………………………………………………………………………………………………………………………452
第四章低温制冷……………………………………………………………………………………………………………………………1
4.1 4He 制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………1
4.1.1 液氦制冷……………………………………………………………………………………………………………………2
4.1.2 液氦蒸发制冷……………………………………………………………………………………………………………4
4.1.3 常规低温热源……………………………………………………………………………………………………………9
4.1.4 持续流制冷机……………………………………………………………………………………………………………17
4.2 干式制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………19
4.2.1 斯特林制冷和GM 制冷…………………………………………………………………………………………19
4.2.2 脉冲管制冷原理………………………………………………………………………………………………………24
4.2.3 脉冲管制冷机的最低温度与制冷功率……………………………………………………………………29
4.2.4 焦汤制冷……………………………………………………………………………………………………………………34
4.2.5 干式预冷、振动的影响与3He 液化………………………………………………………………………39
4.3 3He 制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………45
4.3.1 3He 蒸发制冷……………………………………………………………………………………………………………46
4.3.2 液体4He 预冷的连续降温制冷机与单次降温制冷机…………………………………………48
4.3.3 3He 制冷机操作中的注意事项参考………………………………………………………………………52
4.3.4 干式3He 制冷机………………………………………………………………………………………………………55
4.3.5 供应紧张的匮乏资源|| 3He ………………………………………………………………………………57
4.4 压缩制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………59
4.5 稀释制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………64
4.5.1 稀释制冷的原理………………………………………………………………………………………………………64
4.5.2 制冷功率与其他特征参数………………………………………………………………………………………68
4.5.3 稀释制冷机核心结构讨论: 蒸发腔…………………………………………………………………………74
4.5.4 稀释制冷机核心结构讨论: 蒸馏室…………………………………………………………………………76
4.5.5 稀释制冷机核心结构讨论: 热交换器………………………………………………………………………79
4.5.6 稀释制冷机核心结构讨论: 混合腔…………………………………………………………………………82
4.5.7 稀释制冷机核心结构讨论: 特征温度盘与机械固定………………………………………………85
4.5.8 稀释制冷机操作中的注意事项参考………………………………………………………………………88
4.5.9 商业化来源的稀释制冷机: 干式预冷与液氦预冷…………………………………………………89
4.5.10 商业化来源的稀释制冷机: 参数和辅助功能讨论………………………………………………94
4.5.11 常见故障的诊断和处理…………………………………………………………………………………………97
4.5.12 非常规稀释制冷设计方案………………………………………………………………………………………104
4.6 电绝热去磁制冷……………………………………………………………………………………………………………………107
4.6.1 绝热去磁过程……………………………………………………………………………………………………………108
4.6.2 电绝热去磁制冷的制冷剂………………………………………………………………………………………115
4.6.3 多级绝热去磁……………………………………………………………………………………………………………119
4.6.4 绝热去电制冷……………………………………………………………………………………………………………123
4.7 核绝热去磁制冷……………………………………………………………………………………………………………………124
4.7.1 核绝热去磁制冷介绍………………………………………………………………………………………………125
4.7.2 核绝热去磁制冷中的温度………………………………………………………………………………………130
4.7.3 常规制冷剂………………………………………………………………………………………………………………137
4.7.4 基于超精细增强效应的制冷剂………………………………………………………………………………143
4.7.5 极低温下的漏热………………………………………………………………………………………………………146
4.7.6 特殊核绝热去磁设计………………………………………………………………………………………………151
4.8 隧穿制冷…………………………………………………………………………………………………………………………………154
第四章参考文献………………………………………………………………………………………………………………………………157
第五章辅助技术……………………………………………………………………………………………………………………………174
5.1 真空常识…………………………………………………………………………………………………………………………………174
5.1.1 真空基础知识……………………………………………………………………………………………………………174
5.1.2 稀薄气体理论……………………………………………………………………………………………………………177
5.1.3 气体导热……………………………………………………………………………………………………………………181
5.1.4 抽速……………………………………………………………………………………………………………………………183
5.1.5 流导……………………………………………………………………………………………………………………………185
5.2 压强与流量的测量…………………………………………………………………………………………………………………188
5.2.1 压强测量注意事项……………………………………………………………………………………………………188
5.2.2 真空规………………………………………………………………………………………………………………………189
5.2.3 流量计………………………………………………………………………………………………………………………195
5.3 泵和压缩机……………………………………………………………………………………………………………………………197
5.3.1 容积压缩泵………………………………………………………………………………………………………………197
5.3.2 涡旋泵………………………………………………………………………………………………………………………199
5.3.3 隔膜泵………………………………………………………………………………………………………………………200
5.3.4 涡轮分子泵………………………………………………………………………………………………………………201
5.3.5 罗茨泵………………………………………………………………………………………………………………………202
5.3.6 扩散泵………………………………………………………………………………………………………………………203
5.3.7 低温泵………………………………………………………………………………………………………………………204
5.3.8 吸附泵、钛升华泵和离子泵……………………………………………………………………………………206
5.3.9 泵分类方式与真空系统注意事项……………………………………………………………………………207
5.3.10 压缩机………………………………………………………………………………………………………………………212
5.3.11 泵的减振、干式制冷机减振、其他减振………………………………………………………………213
5.4 密封与检漏……………………………………………………………………………………………………………………………222
5.4.1 法兰……………………………………………………………………………………………………………………………223
5.4.2 阀门……………………………………………………………………………………………………………………………228
5.4.3 常规管道……………………………………………………………………………………………………………………231
5.4.4 小型管道、低温管道和自制真空腔体……………………………………………………………………232
5.4.5 可拆卸自制密封………………………………………………………………………………………………………235
5.4.6 焊接……………………………………………………………………………………………………………………………237
5.4.7 非金属表面密封………………………………………………………………………………………………………240
5.4.8 漏气现象……………………………………………………………………………………………………………………241
5.4.9 放气、渗气、蒸发和虚漏…………………………………………………………………………………………244
5.4.10 检漏方法…………………………………………………………………………………………………………………247
5.5 热交换气和干式制冷辅助降温手段……………………………………………………………………………………251
5.5.1 热交换气……………………………………………………………………………………………………………………251
5.5.2 干式制冷辅助降温手段……………………………………………………………………………………………253
5.6 热开关……………………………………………………………………………………………………………………………………255
5.6.1 气体热开关和液体热开关………………………………………………………………………………………255
5.6.2 机械热开关………………………………………………………………………………………………………………259
5.6.3 超导热开关………………………………………………………………………………………………………………261
5.7 杜瓦…………………………………………………………………………………………………………………………………………263
5.7.1 常规低温隔热……………………………………………………………………………………………………………264
5.7.2 实验杜瓦基本结构……………………………………………………………………………………………………267
5.7.3 移动杜瓦基本结构与阀门………………………………………………………………………………………273
5.8 液氦与液氮传输……………………………………………………………………………………………………………………275
5.8.1 液体传输……………………………………………………………………………………………………………………275
5.8.2 液面探测……………………………………………………………………………………………………………………282
5.9 磁体简介…………………………………………………………………………………………………………………………………287
5.9.1 恒流超导螺线管磁体………………………………………………………………………………………………288
5.9.2 超导螺线管磁体的使用和保护………………………………………………………………………………294
5.9.3 小磁场线圈的绕制……………………………………………………………………………………………………300
5.9.4 其他磁体……………………………………………………………………………………………………………………302
5.10 氦样品制备……………………………………………………………………………………………………………………………303
5.10.1 液体与固体样品生长………………………………………………………………………………………………303
5.10.2 样品质量…………………………………………………………………………………………………………………307
5.11 低温实验与安全……………………………………………………………………………………………………………………308
5.11.1 通用实验安全…………………………………………………………………………………………………………309
5.11.2 高压气瓶安全…………………………………………………………………………………………………………313
5.11.3 低温液体安全…………………………………………………………………………………………………………315
第五章参考文献………………………………………………………………………………………………………………………………320
第六章测量和设计实例………………………………………………………………………………………………………………333
6.1 简单电测量……………………………………………………………………………………………………………………………333
6.1.1 电阻测量简介……………………………………………………………………………………………………………333
6.1.2 常见低温交流测量电路……………………………………………………………………………………………336
6.1.3 极大电阻和极小电阻的测量……………………………………………………………………………………339
6.1.4 噪声……………………………………………………………………………………………………………………………342
6.1.5 滤波与接地………………………………………………………………………………………………………………345
6.1.6 引线类型、接口和热沉……………………………………………………………………………………………354
6.1.7 样品座………………………………………………………………………………………………………………………362
6.1.8 接触电阻、门电极和接地保护…………………………………………………………………………………365
6.1.9 电阻值定标………………………………………………………………………………………………………………368
6.2 电测量中的温度……………………………………………………………………………………………………………………369
6.2.1 电阻温度计的测量……………………………………………………………………………………………………369
6.2.2 电子温度……………………………………………………………………………………………………………………372
6.3 交流法比热测量……………………………………………………………………………………………………………………378
6.4 转动惯量测量…………………………………………………………………………………………………………………………383
6.5 低温压强测量…………………………………………………………………………………………………………………………384
6.6 静液压……………………………………………………………………………………………………………………………………388
6.7 旋转样品座……………………………………………………………………………………………………………………………389
6.8 液氦蒸发腔插杆……………………………………………………………………………………………………………………390
6.9 干式闭循环蒸发制冷……………………………………………………………………………………………………………393
6.10 干式核绝热去磁制冷机………………………………………………………………………………………………………394
6.10.1 核绝热去磁制冷机基本框架…………………………………………………………………………………395
6.10.2 核绝热去磁制冷机温度测量与温标………………………………………………………………………404
6.10.3 核绝热去磁制冷机性能…………………………………………………………………………………………412
6.10.4 核绝热去磁制冷机测量系统…………………………………………………………………………………419
6.11 量子计算中的低温环境需求………………………………………………………………………………………………423
6.12 三维零件打印………………………………………………………………………………………………………………………425
6.13 氦气回收与液化……………………………………………………………………………………………………………………426
第六章参考文献………………………………………………………………………………………………………………………………431
第七章附录……………………………………………………………………………………………………………………………………442
7.1 附录一: 扩展阅读…………………………………………………………………………………………………………………442
7.2 附录二: 物理量与常用物理常量…………………………………………………………………………………………444
7.3 附录三: 数值前缀与单位换算………………………………………………………………………………………………449
英汉对照索引………………………………………………………………………………………………………………………………………452
