低温制冷技术新发展

InstituteofRefrigerationandCryogenics低温制冷技术新发展巨永林上海交通大学制冷与低温工程研究所InstituteofRefrigerationandCryogenics1国际大科学工程项目简介4空间红外探测主要内容2高能粒子加速器和探测器3国际热核反应实验堆(ITER)InstituteofRefrigerationandCryogenics9投资大（30-120亿美元）9时间长（10-20年）9国际合作（十几-上百个国家）1国际大科学工程美国能源部美国能源部20032003年年1111月公布月公布了二十年中长期大科学工程了二十年中长期大科学工程发展规划，共发展规划，共2828项，拟投资项，拟投资120120亿美元。这些大工程项亿美元。这些大工程项目中的目中的8080％是以低温与超导％是以低温与超导技术为工程基础的。技术为工程基础的。““这些大科学工程将使科学这些大科学工程将使科学发生革命，使美国科学位于发生革命，使美国科学位于世界前沿，将会产生重大科世界前沿，将会产生重大科学发现，对人类社会做出重学发现，对人类社会做出重大贡献大贡献””SpencerAbrahamSpencerAbraham((美国能源部长美国能源部长))美国能源部20年大科学工程发展规划28个项目InstituteofRefrigerationandCryogenics•SpallationNeutronSource(散裂中子源)•ITER(国际热核聚变实验)•JointDarkEnergyMission（联合暗能量计划）•NSLSupgrade（同步辐射光源-升级计划）•FreeElectronLaser（自由电子激光器）•RHIC-B（相对重离子对撞机-B计划）•e-RHIC（电子-相对重离子对撞机）•DoubleBetaDecay（双Beta衰变）•SuperNeutrinoBeam（超级中微子束）•FusionEnergyContingency（聚变能约束）•BTeV（千亿电子伏特加速器）•ILC（国际直线加速器）•……InstituteofRefrigerationandCryogenics•物质微观结构：研究的物质结构越深入，所需要的能量也越高•高能粒子加速器（对撞机）可以把微观物质（如质子和电子等）加速到很高的速度，使它们得到很高的能量•进而进入所要研究的微观物质或粒子内部，或将这些微观物质轰击成碎片，以便研究其内部构造2高能粒子加速器InstituteofRefrigerationandCryogenics•为使粒子束能沿闭合环行的轨道上运转加速，必须施加强大的磁场来引导和约束粒子运动。•早期的加速器采用常规电磁体来产生磁场，体积大、耗电量大。由于粒子运动时的偏转角度与粒子的能量、磁场强度和磁场空间大小有关，粒子能量越大，越不易偏转，因而需要更强的磁场和更大的空间。•常规磁体因受磁场强度限制，要获得高能量就必须增加加速器半径，从而大大增加加速器的建设费用。如何加速高能粒子？InstituteofRefrigerationandCryogenics•低温制冷和低温超导技术：在高能加速器的应用是上世纪高能粒子物理领域的重要突破之一，也是当今加速器领域的发展和应用热点。•原因：超导磁体比常规磁体具有明显优点，例如在环半径相同的情况下，超导加速器能量可相应提高数倍，而且也可大大的降低电能消耗和运行费用。•对于欧洲粒子物理研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）,常规磁体耗电能约为超导磁体耗电能的60倍。超导和低温技术LHCatCERN大型强子对撞机4.3km4.3kmradius,26.7kmcircumference,100mundergroundInstituteofRefrigerationandCryogenics¾SearchforHiggsbosonwhydomattershavevariousmasses?LHC物理目标¾Physicsoftopandbottomquarks¾SearchfornewphysicsbeyondtheSM,includingsuper-symmetryInstituteofRefrigerationandCryogenics•Itwillcollidebeamsofprotonsatanenergyof14TeV(~2TeVatTevatron)•Beamsofleadnucleiwillbealsoaccelerated,smashingtogetherwithacollisionenergyof1150TeV•Basedonsuperconductingmagnetsoperatedat1.9Kinsuper-fluidheliumbath•Fourdetectors:ATLAS,CMS,ALICEandLHC-bLHC物理InstituteofRefrigerationandCryogenicsLHC物理LHC:采用超流氦(1.8K)冷却的超导磁体InstituteofRefrigerationandCryogenics•由1250个场强为8.3T的主二极(偏转)磁体构成，有磁场强度梯度为223T•m-1的主四极(聚焦)磁体400个,分布在周长为26.7km的加速器环上。•整个环等分为8个区域，每一区域内各个单元由一台制冷功率为18kW/4.5K的氦制冷机通过低温传输线来冷却。•为达到8.3T场强，选用较为成熟的Nb-Ti合金作为超导线材后，基于NbTi合金特性，工作温度只能选定为1.9K，因此LHC使用的冷却介质是1.8-1.9K的超流氦。•由于1.8K超流氦所对应的饱和蒸气压非常低而所需的流量又非常大，使用多级液体压缩机来实现制冷循环。由Linde和AirLiquide提供。超导磁体及低温系统InstituteofRefrigerationandCryogenics氦低温制冷装置:18kW@1.8K-AirLiquideInstituteofRefrigerationandCryogenics•研究微观粒子特性及其相互作用，在加速器的对撞点上需要安装有大体积、高精度的探测器。•随着加速器能量的提高，探测器的分辨率也要相应提高，这不仅需要探测器有足够大的空间，而且还要求它有足够高的磁场强度和在使用空间内有足够的均匀度。•在几米直径的空间产生数T级的磁场，常规磁体很难达到这一要求，因此探测器都采用超导磁体。粒子探测器AtlasdetectorDiameter:25mBarreltoroidlength:26mChamberspan:46mOverallweight:7000TAToroidalLHCApparatusInstituteofRefrigerationandCryogenicsLiquidArgonCryostatEnd-CapCryostatAtlasdetectorATLASGroup¾151Institutionsfrom35Countries¾2200PhysicistsSchematicdiagram1.BeamPipe2.InnerDetector3.SolenoidalMagnets4.ForwardLArCalorimeters5.ElectromagneticCalorimeters6.HadronicCalorimeters7.MuonToroidalMagnets8.MuonDetector9.Shielding10.SupportStructureATLASeventcrosssectionInstituteofRefrigerationandCryogenicsTheinteractionofvariousparticlesindetectorInstituteofRefrigerationandCryogenics•薄壁超导螺线管磁体，使其径向厚度大大减小，以防止超导线圈吸收过多的粒子；•超导线圈内绕技术，简化了线圈结构，改善线圈辐射穿透性能；•铝做导体的稳定基底材料，使重量减轻且具有较好的稳定性能等等。粒子探测器新技术1以大型低温与超导设备的应用为主要特征，超导磁体和超导射频腔技术是用以实现高能量高精度的关键技术。对我国低温与超导技术的迅速发展提出了极其迫切的要求。国内大科学工程北京正负电子对撞机重大改造工程上海第三代同步辐射光源装置BEPCIBriefBEPCIBrief¾¾BEPCIhasbeenBEPCIhasbeenoperatingintheoperatingintheττ--charmregionandascharmregionandastheSRsourceintheSRsourceinChinasince1989.Chinasince1989.¾¾BEPCIwasBEPCIwasconstructedforbothconstructedforbothhighenergyphysicshighenergyphysicsandsynchrotronandsynchrotronradiationresearches.radiationresearches.¾¾BEPCIwasBEPCIwasdecommissionedindecommissionedinApril2004.April2004.BEPCIIGoalBEPCIIGoal¾¾DesignLuminosity~DesignLuminosity~10103333cmcm--2s2s--1@1.89GeV1@1.89GeV¾¾DedicatedSynchrotronDedicatedSynchrotronRadiation:250mA@2.5GeVRadiation:250mA@2.5GeV¾¾e+Injection:50mA/min.@e+Injection:50mA/min.@1.551.55––1.891.89GeVGeV¾¾PhysicsRunPhysicsRun：：LuminosityLuminosity10103131cmcm--2s2s--1@1.89GeV,51@1.89GeV,5month/yearmonth/year¾¾SynchrotronRadiationRunSynchrotronRadiationRun：：140mA@2.2140mA@2.2GeVGeV,3,3month/yearmonth/yearBEPC-北京正负电子对撞机SRF-ASRF-BBESIIISCQ-ASCQ-BThreesuperconductingfacilities,¾Apairofsuperconductinginteractionregion(SIR)quadrupolemagnets¾Apairofsuperconductingradiofrequency(SRF)cavities¾Asuperconductingdetector(SCD)solenoidmagnet¾Acryoplantwithacapacityof1kWat4.5KBEPCII：1kW/4.5K低温系统设计SecondCollidingHallSecondCollidingHallBEPCIIRingBEPCIIRingFirstCollidingHallFirstCollidingHallCompressorHallCompressorHallTankFarmTankFarmLN2tankLN2tankLN2tankLN2tankInstituteofRefrigerationandCryogenics3人类未来的能源:受控热核聚变InstituteofRefrigerationandCryogenics•核能包括裂变能和聚变能。裂变是重金属元素的质子通过裂变而释放的巨大能量，目前已经实现商用化。•氘氚聚变释放出大量能量，其燃料氘在地球上几乎可以说是无穷尽的。聚变反应堆不产生污染物质，产物没有放射性，具有接近无限资源的比较理想的能源。•聚变能是目前认识到