低温物理实验技术简介
低温物理学的基础与应用
低温物理学的基础与应用低温物理学是研究物质在低温下的性质和行为的学科，其温度范围一般从几个千分之一度到几个百分之一度。
低温物理学在现代科学技术中有着广泛的应用，如超导电性、超流性、凝聚态物理、微波天文学、量子信息、量子计算等。
一、低温物理学的基础低温物理学在20世纪初被正式确立，该学科的产生和发展与实验技术和量子力学的发展密切相关。
低温下物质行为的与一般的物理学不同，尤其在量子效应方面存在很多独特的特性。
在低温物理学中，超导现象是一个重要的研究方向。
超导现象是物质在低温下电阻为零的现象，自从1911年荷兰人卡梅林戈恩(H. Kamerlingh Onnes)最先发现铅在低温下是超导体以来，人们逐渐认识到了超导现象之重要性。
在纳米尺度下的低温物理研究，涉及量子点、量子线、量子点阵、磁传输行为等物理现象，这也是现代低温物理学的一个研究热点之所在。
二、低温物理学的应用低温物理学除了理论方面的研究外，其应用也十分丰富。
其中应用最广泛的是超导技术，这门技术在电力、能源、电子、制造等方面具有重大的现实意义。
1、超导电力技术超导材料的引入到电力传输领域可以提高电线的输电效率，减少电线的能量损失，进一步减少能源的消耗。
在超导输电系统中，电流通过超导体时不会产生耗散，从而大大提高了电力传输的效率，这对电力系统的可持续发展具有积极意义。
2、超导电子技术超导电子技术则主要用于磁共振成像设备 (MRI) 和核磁共振成像(NMR)设备。
MRI设备中的超导线圈是制造MRI设备时的关键技术之一。
超导电子技术可以提高诊断结果的准确性，也可以缩短检查的时间，更好地服务人类健康事业。
3、量子信息量子计算和量子通信是量子信息科学的两大重要分支。
量子信息学中的量子比特是一种可靠的量子存储单元，而低温环境是量子逻辑和量子纠缠的理想场所。
量子计算机是一种使用量子比特执行计算任务的计算机，与经典计算机相比，具有更高的计算能力。
量子通信技术则对信息的安全保密提供了更多的可能，加密通信的安全性可以得到进一步加强，这对于战争、商业、金融、政府机构和个人之间的信息交流和交换都有明显的意义。
低温物理专业名词
低温物理专业名词1. 低温物理概述低温物理是一个研究物质在极低温下行为的领域，主要关注物质在接近绝对零度（-273.15℃）时的物理性质和现象。
在低温下，物质表现出许多与常温不同的特性，例如超导性、超流性和量子效应等。
低温物理的研究对于理解基础物质的行为以及开发新材料和技术具有重要意义。
2. 绝对零度绝对零度，即绝对温度零度，是低温物理研究中的一个关键概念。
根据绝对温标，绝对零度的温度为0K，相当于-273.15℃。
在绝对零度下，物质的分子和原子几乎没有热运动，达到最低的能量状态。
3. 超导性超导性是低温物理领域的一大重要现象，指的是某些物质在低温下对电流的零电阻传输能力。
当物质的温度降至超导临界温度以下，电阻将突然消失，电流可以在物质内部自由地流动而不会损失能量。
超导材料在电力传输、磁共振成像和粒子加速器等领域具有广泛应用。
4. 超流性超流性是指某些液体在极低温下的特殊流动性质。
当液体的温度降至临界温度以下，由于凝聚态物质的量子性质和微观结构，液体可以自由地流动过狭窄的通道和孔隙，且流动过程中没有粘滞损耗和能量损失。
超流液体的研究对于理解凝聚态物质的量子行为和宏观量子现象具有重要意义。
5. 量子效应量子效应是指微观世界中微粒（如原子、分子和电子）遵循量子力学规律所表现出的特殊现象。
在低温物理中，量子效应往往在极低温下变得显著，并且对物质的性质和行为产生重要影响。
例如，量子液体和量子磁性是与低温物理和凝聚态物理紧密相关的研究领域。
6. 凝聚态物理凝聚态物理是研究固体和液体等凝聚态物质的性质和行为的学科。
低温物理与凝聚态物理密切相关，因为低温状态下凝聚态物质的量子性质和集体行为显露得更为明显。
凝聚态物理的研究内容包括晶体结构、磁性、导电性等，它对于新材料的发现和理解物质的基本行为具有重要意义。
7. 低温实验技术低温物理实验需要使用一系列特殊的低温实验设备和技术。
例如，常用的低温实验设备有液氮罐、制冷机、超导磁体等，可以将物质冷却到极低温。
低温物理实验技术的低温测量与低温样品制备方法
低温物理实验技术的低温测量与低温样品制备方法低温物理实验技术是一门研究物质在极低温环境下行为的学科。
在低温条件下，物质的性质会发生显著变化，例如超导性、超流性、磁性等现象的出现。
为了研究这些有趣的现象，研究人员需要采用一系列的低温测量与低温样品制备方法。
一、低温测量方法1. 电阻测量：低温下的电阻测量是低温物理实验中最常用的方法之一。
常见的电阻测量技术包括四引线法和两端子法。
四引线法能够消除导线电阻的影响，从而提高测量精度。
而两端子法适用于样品电阻较大的情况。
2. 磁性测量：低温下的磁性测量可以揭示物质的磁性行为。
常见的磁性测量方法有磁化率测量、磁化曲线测量等。
这些方法可以用来研究物质的磁相变、磁结构等性质。
3. 热容测量：低温下的热容测量可以研究物质的热力学性质。
常见的热容测量方法有差示扫描量热法、热容比热法等。
这些方法可以用来研究物质的相变、热导率等性质。
4. 超导电性测量：低温下的超导电性测量是研究超导材料的重要手段。
常见的超导电性测量方法有电阻测量、临界磁场测量、临界温度测量等。
这些方法可以用来确定超导材料的超导转变温度、超导电流等性质。
二、低温样品制备方法1. 冷冻技术：冷冻技术是低温样品制备的基础。
常见的冷冻技术有液氮冷冻、液氦冷冻等。
液氮是一种常用的低温冷冻剂，可以制备低温下的样品。
而液氦是一种更低温的冷冻剂，可以制备更低温的样品，例如超导样品。
2. 冷冻干燥：冷冻干燥是一种将潮湿的样品在低温下冷冻并通过减压蒸发去除水分的方法。
这种方法可以制备干燥的低温样品，常用于材料的保存与研究。
3. 激光烧结：激光烧结是一种将粉末样品通过激光加热烧结成块体的方法。
这种方法可以制备高纯度、高密度的样品，广泛应用于材料制备领域。
4. 气相沉积：气相沉积是一种将气体源在低温条件下分解或反应形成薄膜的方法。
这种方法可以制备薄膜样品，例如超导薄膜、磁性薄膜等。
总结起来，低温物理的实验技术包括低温测量与低温样品制备两个方面。
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。
物理实验技术中的高压与低温技术的应用指南
物理实验技术中的高压与低温技术的应用指南高压和低温是物理实验技术中常见的两种极端条件，它们在许多领域都有重要的应用。
本文将介绍高压与低温技术的基本原理、实验装置以及在物理科研中的应用指南。
一、高压技术1. 高压技术的原理与应用在物理研究中，高压技术被广泛应用于材料科学、固态物理学、地球科学等领域。
高压可以改变物质的结构和性质，帮助科学家揭示物质的特殊行为。
2. 高压实验装置高压实验装置主要由高压腔室、高压发生器、压力控制系统、温度控制系统等组成。
高压腔室一般采用钢制材料，具有高强度和耐压性能。
高压发生器可以采用液体高压发生器、气体高压发生器或者超高压电容器进行。
3. 实验技术注意事项在进行高压实验时，需要考虑一些重要的注意事项。
首先，必须具备安全意识，避免高压系统的泄漏和短路。
其次，需要注意选择合适的密封材料和液体介质，避免因高压引起的材料承受力不足或溶解问题。
二、低温技术1. 低温技术的原理与应用低温技术在量子物理学、超导性、凝聚态物理学等领域有着重要的应用。
通过降低温度，科学家可以观察到物质独特的量子行为，研究物质的相变和传输性质。
2. 低温实验装置低温实验装置主要由制冷系统、绝热容器、恒温系统、测量仪器等组成。
常见的制冷系统包括液氮制冷、液氦制冷和制冷机制冷。
绝热容器可以采用双壁真空容器，以减少热量的传导和辐射。
3. 实验技术注意事项低温实验需要特殊的环境和操作技巧。
首先，需要防止制冷剂的泄漏和寒冷环境对人体的伤害。
其次，实验过程中要注意隔热和保温措施，以减少热量的损失。
此外，还需要使用低温下可靠的测量设备和仪器。
三、高压与低温的联合应用高压和低温常常会同时存在于某些物质研究中，例如高压下的超导性研究，低温下的相变行为研究等。
在这些复杂的条件下，科学家需要合理设计实验装置，同时保证高压和低温条件的稳定和准确性。
在高压与低温的联合应用中，需要注意以下问题：首先，高压环境对低温系统的影响，例如高压下的冷却性能和制冷能力。
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。
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小型稀释制冷机
稀释制冷机的特点：功率较大、连续制冷
牛津公司产品: 在100mK制冷功率400W最低温度5mK 自制小型机： 在100mK制冷功率50W最低温度50mK
工作原理
稀释制冷
~0.7K
流程图
~10mK
顺磁盐绝热去磁
充气 抽气 真空
核绝热去磁
激光冷却
斯特林循环微型制冷机
脉冲管制冷机系统
低温物理实验技术简介
参考书： 1, 阎守胜、陆果：《低温物理实验的原理与方法》 2, G.K.White： 《Experimental Techniques in
Low-Temperature Physics》
液氦机的发明（1908年首次将氦气液化）
稀释制冷机的发明（20世纪60年代）
低温技术推动低温物理的发展
为什麽在传输液体时杜 瓦管有时会 “出汗”？
输液管（杜瓦管）
实验杜瓦容器
高真空绝热玻璃杜瓦 (可看到液面) 带尾巴的高真空绝热金属杜瓦
实验杜瓦容器
多 层 绝 热 金 属 实 验 杜 瓦
涡 轮 分 子 泵
直接在100升液氦容器中做实验
液面计
鼓
电
膜
容
液
液
面
面
计
计
其它类型： 超导线液面计 碳电阻定点液 面计 ……
三，低温温度的控制，低温恒温器
减压液体的温度范围 (液N2:55-77K; 液He :1.2-4.2K) 小液池的作用 (节省低温液体) 稀释制冷机 (1K以下) 连续冷气流 (控制流量达到不同) 高真空绝热，防辐射屏，减少固体漏热 加热器，控温仪，温度稳定度。 插入实验杜瓦内液面之上不同深度以得到中间温度 获得暂时降温方法— 活性炭退吸附 其它
1937年俄国Kapitsa发现氦的超流现象，1978年获Nobel奖
1980年德国K. von Klitzing发现量子霍尔效应，1985年获 Nobel奖
1986年Bednorz和Muller发现高温超导电性，1987年获 Nobel奖
1996年美国D.M. Lee, D. D.Osheroff, R.C.Richardson获奖， 表彰他们发现氦－3的超流动性
绝热方法:
高真空 真空度好于10-4 Pa时,气体漏热可以忽略 表面抛光、镀金 可使0 多层防辐射屏 =/n , n为层数，辐射漏热减小n倍 使用导热差的固体支撑材料和引线
的
正
确
位
置
位置错啦!
高真空绝热， 防辐射屏， 减少固体漏热
绝热问题
漏热的三种途径：
气体漏热 =A(T2-T1)/d =cAP (T2-T1)
d为两传热面之间的距离，A为面积， 当气体分子的平均自由程>d时，漏热与压强P成正比
辐射漏热 = A (T14-T24), 为表面发射率 固体漏热 =A (T2-T1)/ l, l为长度
流体理论上作出的开创性贡献。
低温实验技术主要内容
一，低温的获得，冷源
低温液体的温度（1 大气压）： 液N2, 77 K; 液H2，20.4K ; 液He, 4.2K. 3 He-4He 稀释制冷机：5mK--4K 顺磁盐绝热去磁：低于1mK 核绝热去磁：低于1 µK 激光冷却：≈µK 斯特林微型制冷机，脉冲管制冷机，G-M 制冷机
一、低温的获得，冷源
低温液体的温度（1 大气压）： 液N2, 77 K; 液H2，20.4K ; 液He, 4.2K.
3He-4He 稀释制冷机：5mK--4K (Oxford产品) 顺磁盐绝热去磁：低于1mK 核绝热去磁：低于1 µK 激光冷却：≈µK 斯特林微型制冷机：10K-300K(两级制冷可更低) 脉冲管制冷机: 3K-300K G-M 制冷机: 3K-300K
低温液体减压（用机械泵抽气）
减压液体的温度范围 液N2:55-77K; 液He :1.2-4.2K；液H2?
危 险！
降到最低温度， 液体消耗40％
小液池的作用
针尖阀1小时消耗Biblioteka 液氦10 毫 升左右针尖阀
真空绝热式恒温器举例
热 导 率 测 量 装 置
加
电阻测量装置
热
加热式（左），冷却式（右）
器
脉冲管制冷光学 测量恒温器
液氦冷源光学测量恒温器
其它类型制冷系统
G-M制冷机 节流膨胀制冷 涡轮膨胀机制冷
……
二、低温液体的储存和输运
60吨液氮储槽
热水瓶能装液 氮(液氦)吗？
30升液氮容器（储存、 运输用）
多层真空绝热
使用时要特别小心防震
输液管（杜瓦管）
杜瓦管夹层保持高真空 活性碳的作用
低温物理有关的诺贝尔奖
1908年制出液氦，1911年发现汞的超导电性，荷兰 Kamerlingh Onnes, 1913年获Nobel奖
1972年Bardeen,Cooper,Schrieffer因合作BCS超导电性理 论获Nobel奖 (1957年提出BCS理论）
1963年英国剑桥大学在读研究生Brain Josephson理论预言 超导隧道效应，1973年获Nobel奖
二，低温液体的储存和输运
储槽，输液管，实验杜瓦
三，恒温器， 温度的控制
减压液体的温度范围 液N2:55-77K; 液He :1.2-4.2K 高真空绝热，防辐射屏，减少固体漏热 小液池的作用 加热器，控温仪，温度稳定度。 连续冷气流 插入液面上的不同深度以得到中间温度 获得暂时降温方法— 活性炭退吸附
1997年朱棣文等3人因激光冷却和陷俘原子获Nobel奖
1998年崔琦等3人因发现分数量子霍尔效应获Nobel奖
2001年Cornell,Ketterle,Wieman因实现Na,Rb等金属原子 气的Bose-Einstain凝聚获Nobel奖
2003年俄国Abrikosov获Nobel 奖以表彰他们在超导体和超
四，温度的测量
电阻温度计：Pt, Rh-Fe, 炭电阻，炭玻璃，RuO2, 。。。。 热电偶温度计 二极管温度计 电容温度计（不受磁场影响） 气泡温度计，噪声温度计
五，常用低温材料
传热好— 金，铜，蓝宝石，石英晶体，等 传热差— 不锈钢，德银，玻璃钢，胶木，树脂，尼龙，棉线，。。。 热胀小— 石英管（多晶，热导差）。 导电胶— 导电好、粘接引线用 导热胶---导热好、不导电 粘接材料---聚乙烯醇缩醛胶和其它低温胶 密封材料— 橡皮圈、橡皮垫（室温用）；铟丝，保险丝（低温用）。 无磁材料— 特种钢，玻璃钢，。。。 支撑材料石墨---高温下导热好，低温下绝热。