超導研究·試管嬰兒·克隆綿羊·火箭發射

深冷技術與低溫計量

——每降低一攝氏度都引起科技新飛躍

中國計量科學研究院  高鴻春

　　1877年，德國人林德首次將空氣液化成功，這項科技成果震驚了世界科技界。當時所能達到的最低溫度-190℃，這項成就不但開創了深冷技術的新紀元，同時也打開了許多新學科的大門。1898年杜瓦獲得了液態氫，它在一個大氣壓(101kPa)下的液化點是-253℃。1908年在卡末林昂尼斯指導下的荷蘭萊頓實驗室獲得了液體氦，達到了4.2K(-269℃)的低溫。這些成就為超低溫的研究奠定了堅實的基礎。

　　開始階段，低溫技術的研究主要停留在實驗室的范圍。60年代以來低溫技術邁出了實驗室階段，在低溫工程和各個尖端科技領域直接轉化為生產力。低溫技術使許多物質表現出奇異的特性，有些金屬會出現奇妙的“超導”現象。利用這個超導現象可以做出高效率的超導發電機、無損耗超導電纜，無摩擦超導軸承，選礦用的超導磁分離器，還有超導磁懸浮列車等。所以低溫技術的發展吸引了更多人對超導技術進行研究。

　　最近，在醫學、生物化學、動物遺傳學等領域也開始大量使用深冷技術，在醫學領域，器官移植手術需要先將人體器官用液體氮冷凍起來。這種冷凍要求的時間要快，器官化凍時不能破壞組織，這些技術上的問題現在已經解決。試管嬰兒的誕生、克隆羊的出現都歸于深冷技術的保證，深冷技術的發展在生化領域所造成的影響可見一斑。

　　由于低溫技術，大型制氧機應用于煉鋼，如氧氣頂吹煉鋼的出現促使鋼鐵工業得到迅猛的發展。目前國外已有了每小時生產10萬立方米氧氣的大型制氧機。

　　另一個促使低溫技術急劇發展的因素是空間技術的發展，因為宇宙火箭的燃料需要大量的液氧和液氫。

　　超導研究、電子技術、射電天文、低溫物理、生物化學、醫藥衛生、天然氣的液化與運輸等在科研生產和人民生活中都廣泛運用低溫技術。這些學科與低溫工程的發展趨勢必然對低溫計量提出相應的要求。

　　科學上現在采用熱力學溫標T表示低溫數值，單位是K(開)，稱絕對溫度，比用攝氏度要方便。通常按照所應用的致冷劑產生溫度的方法把低溫范圍分成三部分:第一是氮和氫的冷凝溫度范圍90K～13K；第二是中間溫度范圍13K～4.2K；第三是氦的冷凝溫度范圍4.2K～1K。

　　為了準確測定低溫的溫度，必須有一個接近于熱力學溫標的溫度標準，而此溫標通常是按一次儀表確定的，同時還需要有二次儀表，以及對溫度計進行分度的方法。

　　1990年國際溫標(ITS—90)是目前比較完善的一個溫標，這個溫標在低溫范圍藉助銠鐵和鍺電阻溫度計可以達到0.5K～27K的溫度范圍。

　　在13.8033K～273.16K溫區可以藉助鉑電阻溫度計來完成測溫任務，總之在目前可以藉助各種溫度計和多種低溫熱電偶來完成低溫計量。但究竟選擇哪一種則要看測溫范圍和測溫準確度來決定，以免造成浪費。

　　隨著深冷技術的不斷發展，低溫計量工作的天地將極為廣闊。