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Institute of Refrigeration and Cryogenics主要内容1 国际大科学工程项目简介2 高能粒子加速器和探测器3 国际热核反应实验堆(ITER)4 空间红外探测Institute of Refrigeration and Cryogenics1 国际大科学工程9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）Institute of Refrigeration and Cryogenics美国能源部20年大科学工程发展规划美国能源部2003年11月公布了二十年中长期大科学工程发展规划，共28项，拟投资120亿美元。
这些大工程项目中的80％是以低温与超导技术为工程基础的。
“这些大科学工程将使科学发生革命，使美国科学位于世界前沿，将会产生重大科学发现，对人类社会做出重大贡献”Spencer Abraham (美国能源部长)•Spallation Neutron Source (散裂中子源)•ITER (国际热核聚变实验)•Joint Dark Energy Mission（联合暗能量计划）•NSLS upgrade（同步辐射光源-升级计划）•Free Electron Laser（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）•Double Beta Decay（双Beta衰变）•Super Neutrino Beam（超级中微子束）•Fusion Energy Contingency（聚变能约束）•BTeV（千亿电子伏特加速器）•ILC（国际直线加速器）•……Institute of Refrigeration and Cryogenics28个项目2 高能粒子加速器•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Institute of Refrigeration and Cryogenics如何加速高能粒子？•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。
Institute of Refrigeration and Cryogenics超导和低温技术•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。
Institute of Refrigeration and CryogenicsLHC at CERN大型强子对撞机4.3 km 4.3 km radius, 26.7 km circumference, 100 m undergroundLHC物理目标¾Search for Higgs boson why do matters have various masses? ¾Physics of top and bottom quarks¾Search for new physics beyond the SM, including super-symmetryInstitute of Refrigeration and CryogenicsLHC 物理•It will collide beams of protons at an energy of 14TeV (~2TeV at Tevatron)•Beams of lead nuclei will be also accelerated, smashing together with a collision energy of 1150TeV•Based on superconducting magnets operated at 1.9K in super-fluid helium bath •Four detectors: ATLAS, CMS, ALICE and LHC-bInstitute of Refrigeration and CryogenicsLHC物理Institute of Refrigeration and CryogenicsLHC:采用超流氦(1.8K)冷却的超导磁体超导磁体及低温系统•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1.9 K，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Air Liquide提供。
Institute of Refrigeration and Cryogenics粒子探测器•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。
Institute of Refrigeration and CryogenicsAtlas detector Diameter: 25 mBarrel toroid length: 26 mChamber span: 46 mA T oroidal L HC A pparatu sOverall weight: 7000 TAtlas detectorLiquid Argon Cryostat End-Cap Cryostat Institute of Refrigeration and CryogenicsATLAS Group¾151 Institutions from 35 Countries¾2200 PhysicistsSchematic diagram1. Beam Pipe 2. Inner Detector 3. Solenoidal Magnets 4. Forward LAr Calorimeters 5. Electromagnetic Calorimeters 6. Hadronic Calorimeters 7. Muon Toroidal Magnets 8. Muon Detector 9. Shielding 10.Support StructureATLAS event cross sectionThe interaction of various particles in detectorInstitute of Refrigeration and Cryogenics粒子探测器新技术• 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。
Institute of Refrigeration and Cryogenics1国内大科学工程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。
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BEPC-北京正负电子对撞机BEPCI BriefBEPCI has been operating in the τcharm region and as the SR source in China since 1989. BEPCI was constructed for both high energy physics and synchrotron radiation researches. BEPCI was decommissioned in April 2004. Physics Run：Luminosity 1031cm-2s-1 @ 1.89GeV, 5 month/year Synchrotron Radiation Run： 140mA @ 2.2 GeV, 3 month/yearBEPCII GoalDesign Luminosity ~ 1033cm-2 s-1 @ 1.89GeV Dedicated Synchrotron Radiation: 250mA @ 2.5GeV e+ Injection : 50mA/min. @ 1.55 – 1.89 GeVSRF-ASRF-BThree superconducting facilities, A pair of superconducting interaction region (SIR) quadrupole magnets A pair of superconducting radio frequency (SRF) cavities A superconducting detector (SCD) solenoid magnet A cryoplant with a capacity of 1kW at 4.5KBESIII SCQ-A SCQ-BBEPCII：1kW/4.5K低温系统设计Tank FarmLN2 tankSecond Colliding Hall Compressor Hall BEPCII Ring First Colliding HallLN2 tank3 人类未来的能源: 受控热核聚变Institute of Refrigeration and Cryogenics核聚变• 核能包括裂变能和聚变能。