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真空和低温

真空和低温

技术协同工作

本文首次发表于2017年 物理世界关注真空和仪器

贝丝·埃文斯 是英国低温委员会的主席,该委员会于2017年庆祝成立50周年。在这里,她讨论了低温的变化性质以及她在STFC卢瑟福·阿普尔顿实验室作为设备开发人员的工作

设计出色的乐器:Beth Evans。

您是如何进入低温领域的?

我在英国萨里大学获得的物理学位包括“三明治年”的学位,我申请的其中一个学位是CERN。为了最大程度地在那找到工作,我写下了我感兴趣的所有领域,包括低温学。我在欧洲核子研究组织(CERN)的低温小组的采访进行得并不顺利(我实际上已经忘记了“低温”一词的含义),但是无论如何他们还是给了我这个位置,我很喜欢。我研究了大型强子对撞机磁体,研究了低导电性,高强度材料(例如碳纤维),并在低温下进行了传热测试。到年底,我迷上了。

完成本科学位后您做了什么?

我在英国南安普敦大学获得博士学位,研究一种称为脉冲管制冷机的冷冻机。大多数商用冷冻机是Gifford–McMahon型的,它使用活塞来膨胀和收缩气体。每次膨胀气体时,气体都会冷却,实际上可以将冷却“存储”在特定区域,然后将其附加到要冷却的任何样品上。脉冲管的不同之处在于,它没有物理活塞在运动,而只是在移动一定量的气体。因此,由于没有高速运动的机械物体,因此破裂的东西更少,振动也更少。脉冲管式冰箱现在是一项成熟的技术-您可以从货架上购买它们-但当时它们仍处于开发阶段。

是什么推动了类似技术的采用?

冷却器的妙处在于您可以打开它们并使其离开。您不必不断地向它们补充液氦和液氮-只需按一下按钮,只要它们有电和水,它们就可以持续运行数月(甚至数年)。另一个重要因素是氦气的成本。地球科学家发现了更多的氦气储量,但距离将其带入网络还有很长的路要走。因此,每个人都尽可能地转向无制冷剂的冷却。但是液氦也有一些很大的优势。尽管价格一直在上涨,但它具有很大的冷却能力,并且生产价格仍然相对便宜。另外,您需要大量的电力来运行低温冷却器。您也需要电力来产生液态氦,但是一旦变冷,它就会变冷。

你现在在忙什么

我工作在 伊斯兰国是STFC卢瑟福·阿普尔顿实验室的英国中子和μ子源。我们的部门为即将进行实验的科学家和用户提供支持;我们提供的设备会变得非常冷,非常热或达到很高的压力。我们设计和制造的一个系统是低温应力测试台–一种冷箱,您可以使用它冷却样品,对其施加机械应力,然后用中子对其成像。最近,它已用于在高温超导带上进行应力测试,这意味着在中子束线上始终将电流通过样品,同时冷却样品并施加拉伸载荷。在这种情况下,没有什么比这简单的了,尤其是因为当您冷却物品时,物品会移动和收缩,并且材料的特性会发生变化。例如,一旦冷却后,许多在室温下可以正常工作的材料就会变脆。

我们正在研究的另一个系统是低温进样器。在大多数情况下,如果要从中子束中取出低温样品,则必须加热所有样品,放入新样品,然后再次冷却下来,这需要很长时间。我们在生产中有一个自动进样器,其工作原理是将样品连接到一个降落伞上,以便我们可以用氦气吹出样品,用机械臂抓住它,进行更换,放下新样品并放出气体伸出,使它沿着一根管子向下航行,温度传感器在该管子的底部进行电气连接。那时,由于它是一个小物体,并且传热极少,因此很快就被冷却了。它类似于某些类型的核磁共振仪中使用的自动进样器。但是,有许多不同的技术必须协同工作:您需要将机器人放在一端,需要使用低温技术,需要使用气体和真空技术。通常,低温技术只是多学科系统的一部分。

除了液态氦供应的不确定性之外,低温技术发展的其他其他障碍是什么?

在牛津郡,我们有许多低温公司,而最大的问题是缺乏熟练的劳动力。低温技术是一个专门的领域,直到最近您才真正能够在学校或技术学院学习它。我们已经帮助改变了这一点,并且现在有一所大学技术学院正在对学生进行低温和真空使用方面的培训。还有一个用于低温和真空技术的BTEC模块(即16岁的职业资格)。我们正在努力使其成为更广泛课程的一部分,因为低温和真空对于许多行业和技术都是至关重要的。但即便如此,仍然缺乏熟练的劳动力。低温技术非常依赖于焊接等技术技能–您必须能够建造符合某些安全标准的低温容器。

我要指出的另一个问题是,大多数低温公司规模相对较小,尽管他们擅长于做事,但他们通常没有扩展的资源。因此,如果有新事物出现,它们中的大多数都不会跳出来并说“对,好的,我们会做到的,我们会不断发展”,因为这对他们来说风险太大。在英国,这里没有任何投资和基础设施来支持即将到来的一些大型低温项目。

有什么帮助呢?

如果有资金可用于风险较大的项目,这将有所帮助。即使在学术研究中,也为特定项目提供了资金,并且您不能在该项目上失败,因此您必须谨慎行事。在行业中,他们无法进行基础开发,因为他们必须生产并出售产品–他们无法“游玩”,因为他们只能从交付的产品中获得报酬。我认为这可能是阻止低温技术和超导技术按其应有的方式发展的一件事:工业不能做发展,因为他们没有钱,而学术界通常也不能做到这一点,因为我们不是真的在这里发展事物–但是,如果我们不这样做,工业也不会。在没有任何闲钱的经济环境下,这尤其困难。政府官员喜欢像行业一样投入资金并获得收益,但是在开发技术时很难,因为您不一定能以预期的速度获得成果。

英国低温委员会最近庆祝了其50岁生日。自成立以来,该领域发生了怎样的变化?

五十年前,低温工业还处于起步阶段。这并不是说所有内容都与基础研究有关,但是超导仍然是一个相对较新的事物。使超导体在实践中起作用的技术还处于早期阶段。低温技术在学术上非常有基础。我认为这是最大的变化。低温技术现在是使能技术,而不是研究领域。科学家仍在使用低温技术,因为您可以通过降低速度来更轻松地观察原子和分子,但是它也已成为一种工业工具,用于工厂,MRI扫描仪以及粒子加速器中。

您认为未来10年冷冻剂的主要趋势是什么?

关于超导性,尤其是高温超导体,还有很多工作要做。目前,许多高温超导材料都难以使用-您无法像使用低温超导体那样将它们铺成漂亮的胶带-因此,需要更多的研究来帮助它们发挥潜能。还有一些有趣的低温绿色应用可能会变得更加重要。对于低温行业而言,所谓的“氢经济”具有巨大的潜力。如果要用氢气代替化石燃料来驾驶汽车,则需要大量的氢气,并且需要将氢气以高压气体或液体的形式运输和存储,请记住氢与许多金属反应,长期暴露会导致脆化。然后是一个问题,如何将氢气带入车辆。如果您有液氢加气站,则必须将液氢从地下储罐向上移动到车辆中,同时保持其低温。所有这些都将涉及低温技术。

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