第一章 低温下材料的物理性质与测试技术
低温下冰试样的制作及物理和力学性质试验
低温下冰试样的制作及物理和力学性质试验一．知识要点在本节实验课的理论讲解部分，老师主要为我们介绍了冰的分布，冰的晶体种类，冰的物理和力学性质，冰的应用，冰的危害，为我们较为详细的介绍了海冰。
1. 冰的分布地球上的冰主要分布在地球两极，高寒地区，海洋中，以冰川等形式存在。
2. 冰的晶体种类冰的晶体主要有颗粒状晶体和柱状晶体。
3. 冰的物理和力学性质我们了解了水结冰的反常膨胀现象，老师还为我们简单介绍了冰的压缩强度，弯曲强度，弹性模量，C轴4. 海冰的危害（1）对船体的挤压，撞击，冻伤给航行安全造成了威胁（2）对海洋平台等海洋结构物的挤压，撞击，摩擦造成结构物的损伤，冰温变化产生的膨胀力也对海洋结构物的安全造成了威胁。
（3）增加了海上溢油的危险，阻碍污染物的清理。
（4）制约海上石油开发事业的发展。
在实验演示部分，我们进入了低温冷库在费氏台上观察了冰的晶体，还简单了解了费氏台的工作原理。
亲自动手做了冰的压缩强度测试实验，简单了解了冰压力试验机的组成，制作时需要在材料选择方面考虑的问题。
二．实验小结实验项目：冰的单轴压缩强度试验实验组别：3实验目的：冰压力试验设备的操作方法，进行冰的单轴压缩强度试验，通过观察实验曲线和冰试样，简单了解冰试样在压缩过程中的变化情况，体验科学研究的过程。
仪器设备：冰压力实验机实验样品：标准冰试样实验原理：单轴抗压强度：冰试样在单轴受压至破坏时，单位面积所承受的最大压力。
一般简称抗压强度。
采用压力机上直接破坏标准冰试样测得。
操作步骤：（1）测量冰式样的尺寸。
（2）安装试样（安放在中心轴线处），在计算机中输入标准冰试样的长，宽，高，压缩速度并加荷。
（3）观察计算机中生成的曲线，观察冰式样的形变情况。
实验现象：通过计算机生成了冰试样应力变化图形。
冰试样发生了破坏。
如图（实际拍摄）三．我的问题1. 海冰与淡水冰在物理性质上有什么差异？2. 在冰的单轴抗压强度试验中，冰的破坏形式有几种？不同破坏形式产生的条件是什么？不同破坏形式冰试样的破坏现象有哪些特点？3. 冰的最大压缩强度与什么因素有关?4.冰的晶体主要有颗粒状晶体和柱状晶体，是否可以通过冰试样的宏观表现判别冰试样的晶体结构呢？5.费氏台的工作原理是什么？6.老师介绍了海冰的许多危害，和如何防冰。
低温物理实验技术及其应用
低温物理实验技术及其应用低温物理实验技术是物理研究的重要分支，它涉及到在非常低的温度条件下进行的实验和测量。
随着科学技术的不断发展和进步，越来越多的低温物理实验技术被引入到实际应用中，为人类社会的发展做出了重要的贡献。
一、低温物理实验技术的基本原理低温物理实验技术是利用低温条件下的物理特性进行实验和研究的一种技术。
在低温的环境下，物质的性质往往会出现很大的变化。
例如，在极低温度下，超导体表现出无电阻的特性，而含有气体或者液体的体积也会因为温度的变化而产生不同的变化。
因此，在低温条件下进行实验和测量可以帮助科学家深入地了解物质的本质和特性，并且为开发新的物质和设备铺平道路。
二、低温物理实验技术的主要方法1、制冷低温物理实验技术的首要任务是制冷。
制冷器是低温物理实验技术中最为基本的工具。
常见的制冷器有液氮制冷器和制冷机等。
液氮制冷器是利用液氮的蒸发实现低温，而制冷机则是利用机械的方式来降低温度。
根据不同的实验要求和条件，科研人员可以选择不同种类的制冷器来满足实验需要。
2、测量实验低温物理实验技术中的测量方法也有很多种，例如温度测量，压力测量，电阻测量等。
这些测量方法都是根据物质的不同特性而产生的。
实验者需要熟悉这些测量方法的原理和操作方法，以便在实验中得到准确的数据。
3、低温磁学低温物理实验技术中的低温磁学研究是重要的研究方向，尤其是超导、磁性材料等领域。
在极低的温度下，这些材料会展现出特殊的物理性质。
例如，超导材料可以以无电阻的方式传递电流，而磁性材料则会产生磁性的相变和反弹现象。
通过对这些现象的研究，科学家可以更加深入地了解这些材料的特性，进而为新型材料的研发开拓出更加广阔的研究领域。
三、低温物理实验技术的应用低温物理实验技术的应用领域非常广泛，例如：1、超导超导技术是目前应用最为广泛的低温物理实验技术之一。
超导技术的应用领域非常广泛，包括磁 levitation、 MRI、电力输电等。
在超导领域的应用已经得到很多证实，同时也仍然有很多待解决的技术问题，因此，超导技术的研究和应用前景依然广阔。
低温物理学研究及其应用
低温物理学研究及其应用低温物理学是物理学的一个分支，主要研究物态变化和电磁性质随着温度的改变而发生的变化。
所谓低温就是指物质在极低温度下出现的新现象和新物理。
氦是低温物理学中非常重要的研究对象，因为它可以在接近绝对零度的时候变成超流体和超导体。
第一章：低温物理学的发展历程低温物理学最早出现在19世纪，当时研究的是低温下气体的性质。
20世纪初，液体氦被发现可以在2.17K下变为超流体，这对于低温物理学来说是一个重大的发现。
1947年，约瑟夫森（John Bardeen)、周士勋（Chien-Shiung Wu)和库珀（Leon Cooper）发现了超导现象。
超导体可以在低温下流动的电流无阻力地传递，这对科学界来说也是一个重大的突破。
第二章：低温实验室的环境条件低温实验室的环境条件非常严格，需要保证环境温度尽可能地低。
一般使用液氦或者制冷剂来降低环境温度。
此外还需要有一定的隔音效果，以免引起外界噪声对实验的影响。
第三章：超流体和超导体的研究超流体是指在2.17K时液体氦具有的性质。
在这种情况下，液体氦的密度和黏度会变为零，并且它会自发地爬上容器壁。
这些现象的发生与物质中的一个量子参数有关。
超流体有着广泛的应用，例如飞行器的氦气膜、超导磁体等等。
超导体是指在低温下出现的电流无阻力的材料。
超导体的应用也非常广泛，例如MRI 设备中使用的超导线圈、电力输配电等。
虽然超导体的应用非常广泛，但是其制造成本较高，仍有待完善。
第四章：低温物理学在其他学科中的应用低温物理学除了在物理学中有广泛的应用之外，在其他学科中也有很多的应用。
在生命科学中，冷冻保存技术可以达到非常好的保鲜效果，这对于保存疫苗和细胞等非常重要。
在材料科学中，低温物理学可以用于制备新型材料，例如高温超导体等。
在地球科学中，低温物理学的研究可以帮助人们更好地探索宇宙和深海。
第五章：未来的展望随着科技的不断发展，低温物理学将会有更加广泛的应用。
我们可以预见低温物理学在医学、通信、能源等多个领域中的应用将会继续增多。
低温物理实验技术
对 流 热 交 换 器
压机
节流阀
阀门 杜瓦容器
图 4-0-1
林德机
种液化气的沸点温度 表 4-0-1 气体种类 O2 N2 H2 Ne 27.102
4
He
3
He
沸点温度 K 90.188 77.344 20.27
4.222
3.197
2. 利用制冷机循环来获得低温 利用液氮、液氦来使物体降温，要使用较为复杂的恒温器，同时又要消耗较多的液氮 和液氦。我国的氦资源较少，教学实验或一般测试，由于代价过高，难于广泛使用。故采 用封闭循环的小型制冷机来获取低温。 实验用的小型制冷机有 G-M 制冷机、 ST 制冷机、 SV 制冷机、VM 制冷机等。基本工作原理都是将高压氦气经绝热放气过程而实现降温，仅结构 和循环过程有所不同。它们的工作温度范围一般为 300K～10K，或再稍低一些。4.2K 以下 的低温可以利用减压降温使液氦进一步降温，或用稀释制冷机和绝热去磁法等。目前获得 的最低温度是mK 级，而能进行实验测试的低温是 2mK。
B C H1 H2 R
S
T
于低温液体的所需要的实验温度。 加热器 H 2 的作用 图 4-0-3 高真空绝热恒温器 是用它控制辐射屏的温度与样品温度一致，以减小 对样品的辐射漏热。高真空绝热恒温器的优点是： • 漏热小，因此可以精确地计量对样品升温所提供的热量；‚ 样品内温度均匀；ƒ 周围 环境变化对样品无影响，恒温时温度稳定；„ 样品升温时，低温液体消耗很少。 (3) 漏热式恒温器(见实验 4-1-2) 2. 低温温度测量 温度测量是低温物理实验中首要和基本的测量。各种温度测量方法有不同的原理、测 量范围、测量精度。应根据具体测试要求来选择。下面介绍几种常用的测温方法。 (1) 蒸汽压温度计 蒸汽压温度计是利用液态气体的饱和蒸汽压与温度的对应关系而制成的。将感温泡放 在待测点处，用压力传送管接到压力计上读出蒸汽压，查表即得温度。此温度计测量的温 区较窄，但是感温泡体积小，且不需进行修正，故仍经常使用。 (2) 热电偶温度计 热电偶温度计的基本原理是物理中的塞贝克效应。两根不同金属的细线如图 4-0-4 那 样连接起来，若两接点的温度 T1 ¹ T2 ，在回路中就会产生温差电势。温差电势的大小取决于
《低温物性及测量：一个实验技术人员的理解和经验总结》笔记
《低温物性及测量：一个实验技术人员的理解和经验总结》阅读记录1. 低温物性及测量概述低温物理与测量技术在科学研究和工业应用中扮演着至关重要的角色，尤其在材料科学、工程、化学、物理等领域。
随着科技的进步，对低温条件下物质性质的研究越来越受到重视。
了解低温下的物性，如热力学性质、电磁特性等，对于探索新材料、优化产品设计以及改进生产工艺具有重要意义。
低温物性研究包括对物质在极低温度下的相变、热力学行为、动力学过程等的观测和分析。
这些研究有助于我们深入了解物质的微观结构、相变机制以及在不同温度下的行为。
而测量技术则是实现这些研究目标的关键手段，它包括各种精密的仪器和方法，如电阻率测量、热膨胀系数测量、磁化率测量等。
在低温条件下，物质的许多物理化学性质会发生显著变化，因此需要采用专门的仪器和方法进行精确测量。
这些测量技术不仅需要高精度的设备，还需要熟练的操作技巧和深入的理论知识。
实验技术人员在这一过程中发挥着不可或缺的作用，他们不仅需要具备扎实的专业基础知识，还需要不断实践经验，以应对各种复杂多变的测试条件。
体积和密度是描述物质在低温条件下空间占据和质量分布的性质。
它们与物质的分子结构、晶格常数和原子间距等因素密切相关。
物质的体积和密度会受到相变的影响，如液氦的密度明显低于气态氦，而固态氦的密度略高于气态氦。
不同相变过程中体积和密度的变化也是研究相变行为的重要依据。
比热容是描述物质吸收或放出热量时温度变化的速率与吸收或放出的热量之比的物理量。
比热容对于研究材料的绝热性能和相变过程具有重要意义，液氦的比热容远大于气态氦，这使得液氦在制冷过程中具有更高的效率。
热导率是描述物质传导热量的能力的物理量，热导率对于研究材料的传热性能和制冷技术具有重要意义。
液氦的热导率非常高，使得它成为一种理想的制冷剂。
热膨胀系数是描述物质受热时体积随温度变化的速率的物理量。
热膨胀系数对于研究材料的相变行为和制冷技术具有重要意义。
某些合金在低温下的热膨胀系数较大，可能导致相变过程中的结构不稳定。
物理实验技术中的低温物性测量技巧与方法
物理实验技术中的低温物性测量技巧与方法低温物性测量技巧与方法在物理实验技术中，低温物性测量是一项非常重要的工作。
低温下，物质的性质会发生明显变化，例如超导性、磁性和导电性等。
因此，了解低温下物质的物性非常有助于研究材料的性质和应用。
本文将分享一些低温物性测量的技巧与方法。
一、低温设备与制冷介质首先，创建一个低温环境是必要的。
传统上，液氮是最常用的低温制冷介质。
液氮的沸点约为77K，可以提供足够低的温度。
此外，液氦也是一种常用的低温制冷介质，其沸点约为4K。
对于更低温度的实验，还可以使用其他冷却剂，如超冷制冷机或制冷液氦-3。
其次，低温设备起到重要的作用。
常见的低温设备包括低温冷头、低温恒温器和低温容器。
低温冷头能够将液体制冷介质传导至被测物体，实现低温环境。
低温恒温器则提供恒定的低温环境，可用于长时间的实验。
低温容器用于储存液氮或液氦，以便随时使用。
二、电学测量技术电学测量是低温物性测量中常用的技术之一。
通过测量电阻、电导率和电磁特性等参数，可以研究材料的电性质。
在低温环境下，使用四探针测量方法可以有效地消除接触电阻的影响。
同时，还可以利用霍尔效应测量材料的磁性质。
要注意的是，在低温下，电缆和连接器可能存在超导效应或者冷焊现象，这可能会引起测量误差。
因此，正确选择和使用电缆和连接器非常重要。
此外，由于液氮具有极低的绝缘性能，需要采取措施保护实验装置免受电击危险。
三、热学测量技术除了电学测量，热学测量也是低温物性研究的重要手段。
研究材料的导热性、比热容和热导率等参数，可以了解其热性质。
传统的热测量技术包括热电偶、热电阻和热容器。
在低温下，热传导会受到来自热辐射的影响。
由于热辐射对于温度计的测量精度有限，可能会引入误差。
因此，在低温测量中，需要进行仔细的辐射校准和误差修正。
四、磁学测量技术磁学测量是研究低温物性的重要手段之一。
通过测量材料在低温下的磁化曲线和磁化率，可以了解其磁性质。
常见的磁学测量技术包括超导量子干涉仪、霍珀磁强计和振动样品磁强计。
极低温环境下复合材料的力学性能研究
极低温环境下复合材料的力学性能研究随着科学技术的进步和工业的发展，人们对材料的需求日益增加。
在现代工程领域中，复合材料因其优异的性能而得到广泛应用。
然而，复合材料在极低温环境下的力学性能却一直是一个具有挑战性的问题。
因此，本文将对极低温环境下复合材料的力学性能进行研究，以期能够完善复合材料的应用性能、推动科技进步。
首先，我们需要了解何为极低温环境。
极低温环境一般指的是低于零下100摄氏度的极端低温，例如在航天航空领域中，宇航员执行航天任务时会面临极低温的挑战。
在这种恶劣环境下，复合材料所面临的问题与常温下不同，因此有必要研究其力学性能。
首先，极低温环境对复合材料的力学性能造成的影响主要体现在材料的强度和韧性方面。
一般来说，低温会使复合材料的强度降低，而韧性则会增加。
这是由于低温下材料的分子活动减弱，导致分子间的相互作用增强。
因此，当外力作用在材料上时，随着温度的降低，材料的刚度和耐久性会变得更高，但材料的断裂韧性会下降。
因此，在使用复合材料的领域中，需要在强度和韧性之间进行权衡。
其次，极低温环境还会对复合材料的热膨胀系数产生影响。
一般来说，低温下材料的热膨胀系数会变小，即材料的线膨胀系数减小。
这是由于低温下物质的分子振动减小，因此分子间的相互作用力增强。
而复合材料的热膨胀系数依赖于其组成材料的热膨胀系数以及相互作用力的强度。
因此，在极低温环境下，复合材料的热膨胀性能需要进一步研究和改进，以满足实际应用的需求。
此外，极低温环境还会对复合材料的失效机制产生影响。
在常温下，复合材料的失效机制主要有拉伸断裂、剪切断裂、疲劳断裂等。
但在极低温环境下，复合材料可能会出现新的失效模式。
例如，在低温下，复合材料的脆性增加，可能会出现冷脆断裂的现象。
因此，针对不同的应用场景，需要对复合材料在极低温环境下的失效机制进行深入研究，并采取相应的措施来提高材料的耐用性。
最后，为了提高极低温环境下复合材料的力学性能，可以采取一些措施。
对金属材料的低温性能的分析
对金属材料的低温性能的分析【摘要】金属材料在低温条件下的性能一直是材料科学领域的重要研究方向。
本文通过对金属材料在低温下的物理性质、力学性能、断裂和蠕变特性进行深入分析，探讨了金属材料低温性能的变化规律以及测试方法和改进措施。
总结了对金属材料的低温性能进行分析的重要意义和未来发展前景，并探讨了低温环境下金属材料应用所面临的挑战和机遇。
通过本文的研究和讨论，有望为金属材料在低温领域的研究提供新的理论基础和实践指导。
【关键词】低温性能、金属材料、物理性质、力学性能、断裂、蠕变、测试方法、改进措施、发展前景、挑战、机遇1. 引言1.1 介绍低温对金属材料性能的影响低温对金属材料的性能影响很大，主要体现在以下几个方面。
低温会导致金属材料的强度和韧性下降，使得金属材料在低温下更容易发生脆性断裂。
低温还会影响金属材料的塑性变形能力，减小其延展性和冲击韧性。
低温还会影响金属材料的电导率、热导率等物理性质，降低其导电、导热性能。
在极低温下，金属材料还可能发生超导、磁性等特殊性质变化。
低温对金属材料的各项性能影响较大，需要进行深入研究和测试。
为了更好地了解金属材料在低温下的性能，进行低温材料测试显得尤为重要。
通过对金属材料在低温环境下的特性进行分析和研究，可以为金属材料的应用提供更为科学的依据，同时也能够为金属材料在低温领域的应用和改进提供重要参考。
1.2 低温材料测试的重要性低温材料测试的重要性在研究金属材料的低温性能时起着至关重要的作用。
低温环境下金属材料的性能往往会发生显著的变化，包括物理性质、力学性能、断裂特性等。
通过进行低温材料测试，可以准确评估金属材料在低温环境下的实际表现，为相关工程和应用提供可靠的数据支持。
低温材料测试不仅可以帮助我们了解金属材料在极端温度条件下的行为，还可以为金属材料的设计、选材和工程应用提供重要参考依据。
通过对低温材料测试数据的分析和研究，可以帮助我们更好地理解金属材料的特性，从而优化材料的设计和改进。
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第一章低温下材料的物理性质与测试技术1.0 引言自1908年荷兰科学家昂纳斯将最后一个“永久气体”氦气液化，成功地获得4.2K（即 269℃）的低温以来，低温物理、超导电技术及其他低温技术的研究和应用发展很快。
稀释制冷机、绝热去磁等技术的发展，开辟了mK温区的新研究领域，一些以前在较高温度下观察不到的物理现象陆续被人们所发现。
当外界温度极低，物质热运动能量大大降低，被热运动所掩盖的物质内部相互作用所决定的固有性质便凸现出来，给人们带来了一些意想不到的效应，使得对物质状态和性质随温度变化的研究变得非常有趣。
在物理学、化学、材料科学、空间技术及其他性质上有密切联系的领域中，低温已成为研究物质性质的极端条件之一。
低温的最基本效应是减小热运动引起的无序，揭示物质的本征性质，从而引导人们更好地理解自然界中以多种不同方式形成的凝聚态物质的性质和现象，以及只有在低温环境下才能出现的新现象，包括新相的产生，新有序态的形成等等。
所以，低温物理是物理学中一个十分重要的研究领域。
材料的各项物理性能参数（密度、弹性、电阻、热容、热传导，热膨胀、热电势、磁性、相变点等等）是研究材料内部结构和变化过程的重要线索，也是使用材料的依据。
温度在材料性质研究中是决定性的变量之一。
研究材料在低温下的物理性质首先要对材料在低温下的各项物理性能参数做大量的实验与测试。
因而要学习低温实验的原理与方法，了解低温实验的特点，建立准确可靠的低温实验装置和选择合适的实验方法。
本章前面两节讲述进行低温实验的基础技术，包括低温液体的使用，小型制冷机的运行以及实用低温恒温器等，这些是低温物理实验所必须具备的最基本的知识。
后两节围绕本综合实验所设计的内容，介绍材料在低温下的物理性质以及测试技术的原理和方法，它包括材料在低温下的电性质、磁性质和常用的测试技术，以及计算机控温、实时数据采集与处理在物性测试中的应用等。
本章设计的综合性实验是在液氮和小型制冷机两种低温环境下进行，配有两套代表性的低温恒温器，设计了最基本的直流测量和交流测量。
在加强基础同时，选择与当前凝聚态物理研究方向相关的几类代表性系列试样进行实验，使读者熟悉和掌握材料的物理性能参数随温度变化的基本概念和低温下测试技术的基本知识点。
本实验涉及的基础知识面广，实用性强，突出了低温下实验工作的特殊性。
希望读者从这一章中既可以获得一个低温物理实验工作者所必备的专业知识，又可以顺利地完成本实验。
当然，低温物理的研究面广，相应的测试方法也很多，因篇幅有限，有兴趣的读者可以有针对性地查阅相关专著和文献。
1.1 低温基础技术1971年，国际制冷学会对0℃以下温区进行划分，建议温度高于120K为冷冻温区，120K 与0.3K之间的温区为低温温区，低于0.3K为超低温温区。
在低温温区的物理实验中，常用沸点比室温低得多的低温液体作冷源。
将试样或实验装置浸泡在低温液体中，借低温液体的蒸发得以冷却。
除了低温液体作冷源外，近年来，在高温超导和低温物性研究中，小型制冷机越来越多地被使用，特别适合于缺乏低温液体或野外工作的场合。
1.1.1低温液体的性质和使用在低温物理实验中，常用的低温液体和它们的物理性质列于表1.1。
表1.1 常用低温液体和物理性质①atm为标准大气压，属于非法计量单位，1atm=101 325Pa。
因为氮气和氦气为惰性气体，使用安全，所以实验室中最常用的低温液体是液氮和液氦。
液氧和液氢主要用作火箭的液体燃料。
浸泡在低温液体中的实验试样或装置靠低温液体的蒸发而被冷却。
低温液体汽化时要吸收一定的热量，即为汽化潜热。
因此，低温液体的汽化潜热越小，冷却实验装置并使其保持在低温所消耗的低温液体就越多。
如果用低温蒸汽冷却，则是靠低温蒸汽在升温过程中吸收热量，此为显热。
对于等压过程，其值等于升温时气体焓值的增加，所以显热是标志低温冷蒸汽的冷却能力。
一、液氮液氮的正常沸点是77.344K ，能通过工业规模的生产（空气液化分馏）比较经济地获得。
液氮无色无味、不燃不炸，贮藏和使用都很方便、安全，并且有较高的冷却能力，在低温实验中得到广泛的应用。
液氮的沸点和凝固点之间的温差约为15K ，由于比较狭窄，因此当使用机械泵减压时极容易变成固体，其固体是一种无色透明的结晶。
液氮主要用做63K~300K 的冷源。
将试样直接浸泡在低温液体中，试样温度降到77K 。
如果将浸泡有试样的液氮容器封闭起来，用真空泵降低容器内氮蒸汽的压强，液氮温度可降到63K 。
还可以设计制作以液氮作冷源的专门装置（低温恒温器），使试样获得63K~300K 的中间温度。
当试样直接浸泡在盛有低温液体的敞口容器中，平衡时的温度大约是77K 。
如果实验要求较精确的温度值，则平衡后必须考虑到环境大气压强、浸泡深度以及空气中氧的不断凝入等因素造成的修正。
两物体（温度分别为T H 和T L ）之间的辐射传热通量44()H L AF T T Φσ=- （1.1.1）式中，F 为两物体表面之间的净发射率，σ =5.67⨯10-8 W/(m 2·K 4)为斯忒藩-玻耳兹曼常数，A 为表面积。
Φ与44()H L T T -成正比。
当T H >>T L 时，444H L H T T T -≈。
由（1.1.1）式，辐射传 热很强地依赖于热物体的温度T H 。
在低温工作中，常把盛有液氢或液氦的杜瓦放在液氮容器中使这些低温液体的环境温度从室温降到77K ，则仅由辐射漏热造成的低温液体损失量将减少230倍。
液氦的汽化潜热很小（见表1.1），制取困难，价格昂贵。
实验前要先用液氮将装置预冷到77K 附近，以节省液氦。
因为将固体材料从室温冷却到低温液体正常沸点所需的冷量为材料在这两个温度下的焓值差。
例如，1kg 铜在从300K 冷却到4.2K 的过程中，300K 与4.2K 的焓值差为79.6kJ/kg ，而77K 到4.2K 的焓值差为6.02kJ/kg ，两者之比6.02/79.6=7.6%。
这就是说，液氮完成了整个冷却任务的92.4%，所以液氦实验用液氮预冷可大大节省液氦的消耗。
这个结论具有普遍意义，因为一般物质的比热容在77K 时都已减到很小，再继续冷却就比较容易了。
液氮还应用于氦液化器的预冷、纯化器的冷却以及真空技术中的冷阱等。
二、液氦自然界的氦由质量数为4和3的两种稳定同位素组成，可写成4He 和3He 。
大气中相对丰度为1:1.3⨯10-6。
通常所说的氦如不特别注明，均指4He 。
液氦与普通液体有着极不相同的特性，这是由反映微观粒子运动规律的量子效应所引起的。
因此常把液氦称为量子液体。
其量子效应的两个突出表现是零点能效应和λ相变。
由于零点能效应，液氦在常压下降温不固化。
氦的密度低，汽化潜热小，光折射率以及介电常数与气体相近，而氦气的显热却是很大的，因此在液氦实验中不但要用液氮预冷或液氮保护，而且要充分利用冷氦气的显热来冷却试样或者装置，以节省液氦消耗，使低温实验维持较长的时间。
图1.1为4He 的相图。
常压下液氦减压降温不固化，而是在T λ=2.176K 处液氦突然变得平静，不再沸腾。
液氦相（He Ⅰ相）变成了另一个新的液相（He Ⅱ相）。
液氦在T λ处发生的相变称为λ相变，T λ称为λ点，He Ⅱ相为超流相。
40302010T (K)p (⨯105P a )图 1.1 4He 相图必须指出，低温液体的正确使用是使低温实验得以顺利进行的先决条件。
在液氦使用中要特别注意如下几点：（1）液氦的沸点低、汽化潜热小，生产成本高，要用优良的绝热容器保存。
汽化后的氦气一般都回收。
（2）氦原子小，可渗透玻璃。
因此玻璃液氦杜瓦的真空夹层为“活真空”，在液氦实验后要将进入夹层的氦气“冲洗”干净。
（3）HeⅡ的超流性使它可以无阻地通过小达1μm的微孔，引起所谓“超漏”。
所以用于λ点温度以下的实验装置要非常仔细地设计、加工和检漏。
如：尽量避免焊接，采用整体车制等。
（4）HeⅡ液面以上的器壁表面都有一层液氦膜，以一定的速度沿固体表面爬行，引起质量转移。
爬行膜会增大液氦的蒸发率，使λ点以下的减压降温难以进行。
1.1.2 低温液体的贮存和输送1892年，英国科学家詹姆斯·杜瓦（James Dewar）发明了存放低温液体的双层壁真空绝热容器。
至今，几乎所有贮存低温液体容器的设计都还是以杜瓦的发明为基础，因此常称这些容器为杜瓦容器。
按制作材料，杜瓦容器可分为玻璃杜瓦和金属杜瓦。
玻璃杜瓦简单便宜，且直观，但易损坏。
在室温下氦气能渗透入真空夹层使绝热性能下降。
金属杜瓦牢固耐用，可以根据不同需要制作成不同形状，但制作较困难，价格较贵。
从使用角度上看，杜瓦容器又可分为实验用杜瓦和贮存用杜瓦。
贮存用的杜瓦容器又称贮槽，其容积较大，液体的蒸发率低。
图1.2给出了一个实验室比较通用的长直圆筒形金属杜瓦瓶。
内筒用薄壁无缝不锈钢管制作。
夹层采用多层绝热，即在真空夹层中由铝箔和含碳玻璃纤维纸隔层包扎。
铝箔上端用铜丝捆扎在与不锈钢内筒焊接的一层层的铜环上。
于是，由侧壁和底板投射到铝箔上的辐射热可传到杜瓦上部并由杜瓦内壁的冷蒸汽流带走。
低温实验装置（低温恒温器）一般吊在杜瓦瓶盖上，插入低温液体中。
在本章1.2节中，我们将铜架(图 1.2 多层绝热的实验用金属杜瓦介绍常用的低温恒温器。
作为贮存和运输用的杜瓦容器和实验用的杜瓦容器的主要区别在于它的颈管是细长的，以减小由颈管向下的室温辐射。
图1.3所示是液氦贮槽及其内部结构示意图。
由于这类绝热容器的内胆仅靠内颈管悬吊或悬丝固定，使用时注意不能倾倒，也不要受横向冲击。
CBAdDH图 1.3 液氦贮槽及其内部结构小型液氮贮存容器，如图1.4所示，一般可运输液氮，也可直接用于低温实验。
图 1.4 液氮杜瓦容器从液化器或贮槽输送液氦到实验杜瓦瓶必须使用特制的输液杜瓦管。
输液管由两同心薄壁不锈钢管组成，内外管不能直接相碰，夹层要保证高真空绝热。
图1.5所示为输送液氦用的输液管，入口端插入液化器或贮槽中，出口端插入实验杜瓦。
开始输液要慢一些，尽量减小输液过程中低温液体的消耗。
为保证液氦输液管有良好的绝热性能，在输液前可以先用液氮试一下，要求在输送液氮时管外不结霜。
但是，对于液氮，短时间输液往往直接用单层金属管或乳胶管。
这时在管外表面上会结一层霜，它有助于减小漏热。
1.0 or 1.3 m 弹性接管针形阀 1.0m图 1.5 输运液氦用的输液管1.1.3 小型制冷机随着电子技术、材料科学、空间技术以及表面界面科学等学科的发展，人们需要在特定的空间内造成低温和真空条件，于是促使低温技术与真空技术的结合。
小型制冷机正是反映了这种结合。
小型制冷机可以方便地提供很宽温区的中间温度。
它不需要低温液体作冷源，体积小、可移动，比较适合于野外工作或用于空间技术中。