林熙著
北京大学出版社
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内容简介
物理学是一门实验科学，物理学中概念的确立与规律的发现均建立在坚实的实验基础之上。低温学（或称低温物理学）是研究如何获得低温环境和研究低温环境如何影响物质的学科。
本书部分内容源自作者在北京大学开设的《实用低温实验技术入门》课程讲义。该课程从实用角度出发，介绍实验低温物理学的入门知识，旨在帮助学生掌握在低温实验室工作的常识，并培养其低温系统操作与设计能力。经过多年教学实践，作者将相关知识进行系统地梳理，独立撰写了《低温实验导论（上）》和《低温实验导论（下）》。全书共计107万字：上册着重阐述低温实验的基础知识和相关物理原理；下册深入探讨制冷技术的发展历程，并提供与实验操作相关的实用建议。本书具有以下特色：
（1）作为低温实验工作者的入门教材与参考书，本书全面涵盖核心理论和实践指导。全书包含443幅作者自绘的插图及138张表格，帮助读者迅速掌握基础概念和知识框架。
（2）本书以系统而通俗的方式呈现低温物理与实验技术知识，通过介绍低温实验的历史脉络和制冷技术变更背后的逻辑，本书如同科普读物般为读者绘制了低温实验领域的“认知地图”。
（3）作者在低温实验领域实践经验丰富，其设计搭建的设备创造了无液氦消耗制冷的最低温度纪录（90 μK）。本书提供了低温实验领域部分重要工作所需要的设计思路和物性参数，可作为实用工具书供读者查阅。
本书主要面向低温实验初学者（包括高年级本科生和研究生），旨在为他们提供开展实验研究所需的知识储备。同时，书中整理的低温材料性能数据对资深科学家和工程师也具有参考价值。
章节试读(1)
1.1.6 声学模式 节选
1944年，利夫希茨(Lifshitz)提议通过温度振荡的手段引起第二声。1946年，佩什科夫(Peshkov)在实验上测量到第二声，并且通过第二声实验获得了常规流体成分的比例，与安德罗尼卡什维利实验获得的结果一致（见图1.15和图1.16）。1947年，利用第二声在液体中的振荡引起的气体振荡，人们测量了第二声的声速与温度的关系 [1.41] ，这个实验结果让朗道修改了他的早期理论 [1.15~1.17] 。在朗道最初的理论中，声子和旋子是独立的两支激发，在更新后的理论中，两者来自同一支激发，并且旋子的能量极小值出现在非零的动量处。1971年被中子实验证实的激发谱与更新后的理论吻合 [1.18] 。
声学模式的测量曾在理论验证和实验参数的获得中起了重要作用。例如，第二声被用于测量常规流体成分的比例。又如，第二声的实验数据实质上结束了朗道、蒂萨和莱恩(Lane)等人之间一些不愉快的观点争议。这些不愉快有一小部分原因来自当时科研成果交流的不容易。莱恩在他的实验工作中将朗道提出的公式当成是蒂萨提出的，并认为蒂萨的理论比朗道的理论更可信。也许是前者更容易激怒朗道，也许是两者都让他不愉快，他将莱恩等人称为“物理掠夺者”。朗道也提出因为战争的关系，他直到1943年才能读到蒂萨在1940年的关于二流体模型更多细节的文章。然而，巴利巴尔(Balibar)曾根据他掌握的信息，判断朗道不管是否读过这篇文章都应该知道该文章的存在。在Physical Review期刊两封公开发表的信件上，朗道与蒂萨各自表达了自己的理论观点。朗道觉得蒂萨的理论从微观层面到热动力学层面全错了，蒂萨觉得朗道的理论没那么可信。事实上，关于超流现象的物理理解在很大程度上围绕着伦敦、蒂萨和朗道之间的分歧，也就是超流和玻色-爱因斯坦凝聚是否需要联系在一起。唐纳利(Donnelly)曾经说过：“朗道显然从未引用过伦敦的任何一项工作”。另一方面，伦敦也曾这么评价过朗道的理论：“基于虚构的旋子的不可靠基础之上”。更多的相关内容可以参考0.2.2小节和1.1.4小节。就第二声这一物理现象而言，在朗道发展二流体模型的理论工作之前，蒂萨在1938年提出二流体模型时也预言过第二声的声速：
尽管此公式如今已经被很多人忽略了，但最早的1 K以上声速的实验测量结果与该公式吻合。如果基于朗道的理论，那么第二声的声速在零温极限下是 ，大约为140 m/s，而蒂萨预言的第二声的声速在零温极限下趋于零。最终，佩什科夫在更低的温度下开展了第二声的声速测量，为以上的第二声的声速公式分歧画上句号：尽管蒂萨所预言的声速公式跟早期实验数据吻合，但在更低温度下，它与新数据有明显偏差，实验结果与利夫希茨基于朗道的声子旋子理论的预测一致。现在人们已经知道式(1.22)的问题所在：蒂萨猜测常规流体成分的密度与熵成正比，然而这是错误的，该密度的计算公式是一个包含温度在内的复杂积分。高温端，旋子的密度恰好和熵的温度依赖关系类似，因此蒂萨的声速公式只在低温端与实验数据不符。抛开那些不那么愉快的争议，第二声的理解过程本身很具有低温物理实验的精神：如果暂时的实验结果无法区分不同的理论，那么就到更低的温度下去测量新的数据。
章节试读(2)
2.2.4 热导率数据整理 节选
本小节整理一些常用材料的低温热导率信息，以供读者做估算时快速查阅。出于实用性考虑，本小节在画图时以cm归一化，用W/(cm·K)作为单位。图中一套热导率数据对应了一种材料，然而这是有一定误导性的，因为不同来源的同一种材料的热导率也有显著差异。本小节的数据仅能作为定性参考，不同文献来源的热导率差异的数据整理和对比可参考文献[2.60]。低温环境下的主要导热材料为铜、银和非超导状态下的铝。少数具有高热导率的绝缘体，例如，石英晶体和蓝宝石，可被用于电绝缘条件下的热连接。不锈钢和超导状态下的铝是典型的隔热支架材料。
低温条件下的材料热导率差异大于室温条件下的材料热导率差异，因此热导率并不容易仅仅依靠纯度表征。其他因素，例如，缺陷和尺寸，也会体现为低温条件下的热导率差异，越高纯度的金属的极低温热导率对样品来源的依赖性越大。1 K下同样纯度的铜的热导率差异可达约1000倍。在实际测量中，都是6N纯度的两块铝的热导率可能相差100倍，当然，整体而言，更高纯度的铝的热导率总是更大。例如，在文献[2.75]中6N纯度铝的热导率总是大于3N纯度的铝。
图2.25~2.29总结了部分低温材料的热导率信息，其他个别低温固体的热导率见图2.30。实验工作者并不容易获得材料的低温热导率信息。首先，某种新出现材料的低温热导率可能并没有被测量过，或者旧材料的热导率仅出现于少数较难被关注到的历史文献中。其次，随着温度降低，文献中提供的热导率数值与低温工作者真正使用材料的热导率数值存在差异的可能性迅速增大。文献中用于测量热导率的材料更可能是纯度更高、缺陷更少的“本征”材料，而我们实际使用的材料更可能是常规材料。最后，由于低温环境下的热输运实验的测量困难性，因此50%的测量误差并不罕见 [2.2] 。综上，做估算时，如果高热导对实验有利，那么我们反而应该预设一个差十倍到百倍的热导率数值。
图2.25 热导率数据1。本图提供较常见材料的热导率信息。图中曲线来自对文献[2.4~2.6, 2.21, 2.44~2.46, 2.50, 2.60, 2.61, 2.63, 2.64, 2.76]及其中引文数据的整理、分析和局部拟合
章节试读(3)
4.5.12 非常规稀释致冷设计方案 节选
稀释制冷机还可以仅围绕 4 He循环设计，其原理如图4.73所示。 与现在常规的 3 He循环方案不一样的地方在于，其对氦同位素的选择性抽取不再利用3He和4He的蒸气压差异，而是利用超流的无流阻特性单独带走4He。 图中有上下两个混合腔 [4.108] ，下混合腔的温度取决于提供预冷的3He制冷机，如0.25 K； 上混合腔的温度为系统最低温度，如50 mK。 4He在下混合腔通过多孔材料离开，所释放的热量由3He制冷机带走，所以下混合腔也被称为“demixing chamber（去混合腔）”。 4He通过多孔材料离开低温环境后进入上混合腔，与3He混合，吸收热量实现制冷。 在这样一个循环的过程中，上混合腔中的冷3He稀相下降，而下混合腔中的热3He浓相上升。 如果对照常规稀释制冷机的设计方案，此处的上混合腔类比于常规设计中的混合腔，此处的下混合腔类比于常规设计中的蒸馏室。 常规设计中的热交换器不再需要出现在此处，因为两种液体不用在空间中分离，也不用间接通过金属导热，所以也没有氦与金属之间边界热阻随温度下降而上升的问题（相关内容见2.3节）。 这种不需要热交换器单纯循环4He的制冷机也被称为“Leiden dilution refrigerator（莱顿稀释制冷机）”，可以获得7.9 mK的温度 [4.94] 。
混合液中两种液体均同时参与循环的设计也被尝试过，其原理如图4.74所示。本质上这个设计用一个常规稀释制冷取代了图4.73中的3He制冷机，最低温度依然出现在上混合腔位置。这样的双循环制冷机曾获得了4 mK的温度 [4.97] 。
涉及4He循环的方案不再出现在如今的稀释制冷机设计中，4He循环增加了结构的复杂度和对3He的需求，但是并没有改善性能。图4.74显然比常规的稀释制冷机构造复杂，而图4.73相当于是稀释制冷机与3He制冷机的组合。此外，4He循环方案的最低温度出现在制冷机的中间，不便于测量磁体的安置，也难以为易受磁场影响的温度测量（相关内容见3.2节和3.3节）和热连接（相关内容见2.3节）留出供磁体外磁场衰减的空间（相关内容见5.9节和6.10节）。4He循环方案提出的动机在于解决极低温条件下边界热阻太大的问题，该方案的上下混合腔之间既是热液体的上升通道，也是冷液体的下降通道。然而，随着热交换器技术的成熟，效果更好的热交换器和多级热交换器足以对回流的热3He进行充分预冷，因此当今主流的稀释制冷机仅采用循环3He的方案（见图4.50）。
图4.74 双循环的稀释制冷原理示意图。此方案不出现于主流的稀释制冷机。为图示简洁，常规稀释制冷的 3 He循环热分流方案没有在此处具体画出，读者可参考图4.50
目录
低温实验导论 （上）
前言
第零章：通往绝对零度之路
0.1 不存在的永久气体
0.1.1 从用冰到制冰
0.1.2 热学的起点
0.1.3 永久气体的寻找
0.2 永久液体与低温之路
0.2.1 永久液体
0.2.2 超导与超流
0.2.3 只用一种元素的魔术
0.2.4 一种平平无奇的研究手段
0.3 咫尺天涯
0.3.1 熵与热力学第三定律
0.3.2 降温还是制冷
0.3.3 为何启程与何处止步
第一章：低温液体
1.1 液体4He
1.1.1 氦的介绍
1.1.2 相图与永久液体
1 .1.3 常规流体性质
1.1.4 超流与二流体模型
1.1.5 超流液体性质
1.1.6 声学模式
1.1.7 4He薄膜
1.2 液体3He
1.2.1 相图
1.2.2 经典液体与费米液体
1.2.3 3He的超流
1.3 3He -4He混合液
1.3.1 3He-4He的相分离
1.3.2 3He稀相的比热和超流相变
1.3.3 混合体系的其他性质
1.3.4 4He供应的纯度与提纯
1.3.5 3He供应的纯度与提纯
1.4 液氮
1.5 液氢
1.5.1 仲氢和正氢
1.5.2 其他气液性质
1.5.3 超流氢的寻找
1.5.4 液氦中的氢杂质
第二章：低温固体
2.1 比热
2.1.1 热容与比热概述
2.1.2 晶格比热和电子比热
2.1 .3 其他比热贡献
2.1.4 比热数据整理
2.2 热导
2 .2.1 热导与热导率概述
2.2 .2 晶格热导和电子热导
2.2 .3 其他影响导热的因素与热平衡时间
2.2.4 热导率数据整理
2.3 边界热阻
2.4 热膨胀
2 .5 力学性质
2.6 电性质
2 .6.1 常规导体
2. 6.2 超导体、半导体和绝缘体
2 .7 磁性质
2.8 常见低温材 料
2.8.1 导热材料与结构材料
2.8 .2 其他隔热材料
2.8 .3 黏合材料与功能材料
2. 8.4 建议回避材料、兼容性问题与总结
第三章：温度测量
3.1 温度和温度计
3 .1.1 热力学第零定律
3 .1.2 温度计概述
3 .2 低温环境中的测温手段
3.2.1 电阻温度计和超导温度计
3 . 2.2 其他电输运测量温度计
3.2 .3 气体、气液、液体和固液温度计
3.2 .4 顺磁盐温度计和核磁共振温度计
3.2 .5 核自旋取向温度计和光学温度计
3. 3 温度计的分类和特性
3. 3.1 温度计的分类
3.3 .2 磁场下的温度计
3.3 .3 温区总结与使用推荐
3.4 温标
3 .4.1 测量与温标
3.4 .2 国际温标
3.4.3 极低温临时温标
3. 4. 4 国际单位制的历史
3.4.5 新国际单位制与不理想的温标
3. 4.6 温度计的校正
低温实验导论 （下）
第四章：低温制冷
4.1 4He制冷
4.1.1 液氦制冷
4. 1.2 液氦蒸发制冷
4. 1.3 常规低温热源
4.1 .4 持续流制冷机
4. 2 干式制冷
4. 2.1 斯特林制冷和GM制冷
4.2.2 脉冲管制冷原理
4.2 .3 脉冲管制冷机的最低温度与制冷功率
4.2 .4 焦汤制冷
4.2 .5 干式预冷、振动的影响与3He液化
4. 3 3He制冷
4 . 3.1 3He蒸发制冷
4.3. 2 液体 4He 预冷的连续降温制冷机与单次降温制冷机
4.3 .3 3He制冷机操作中的注意事项参考
4.3 .4 干式3He制冷机
4.3 .5 供应紧张的匮乏资源3He
4. 4 压缩制冷
4.5 稀释制冷
4.5.1 稀释制冷的原理
4.5 .2 制冷功率与其他特征参数
4.5 .3 稀释制冷机核心结构讨论： 蒸发腔
4.5 .4 稀释制冷机核心结构讨论： 蒸馏室
4.5 .5 稀释制冷机核心结构讨论： 热交换器
4. 5.6 稀释制冷机核心结构讨论： 混合腔
4.5 .7 稀释制冷机核心结构讨论： 特征温度盘与机械固定
4.5 .8 稀释制冷机操作中的注意事项参考
4. 5.9 商业化来源的稀释制冷机： 干式预冷与液氦预冷
4. 5 .10 商业化来源的稀释制冷机： 参数和辅助功能讨论
4.5 .11 常见故障的诊断和处理
4.5 .12 非常规稀释制冷设计方案
4. 6 电绝热去磁制冷
4.6.1 绝热去磁过程
4 .6. 2 电绝热去磁制冷的制冷剂
4.6. 3 多级绝热去磁
4. 6.4 绝热去 电制冷
4.7 核绝热去磁制冷
4. 7.1 核绝热去磁制冷介绍
4.7. 2 核绝热去磁制冷中的温度
4.7 .3 常规制冷剂
4.7. 4 基于超精细增强效应的制冷剂
4.7.5 极低温下的漏热
4.7 .6 特殊核绝热去磁设计
4. 8 隧穿制冷
第五章：辅助技术
5.1 真空常识
5 .1.1 真空基础知识
5. 1.2 稀薄气体理论
5.1 .3 气体导热
5.1 .4 抽速
5.1 .5 流导
5. 2 压强与流量的测量
5 .2.1 压强测量注意事项
5. 2.2 真空规
5.2.3 流量计
5 .3 泵和压缩机
5.3 .1 容积压缩泵
5. 3.2 涡旋泵
5 .3.3 隔膜泵
5.3 .4 涡轮分子泵
5.3. 5 罗茨泵
5. 3.6 扩散泵
5.3.7 低温泵
5.3 . 8 吸附泵、钛升华泵和离子泵
5.3 .9 泵分类方式与真空系统注意事项
5.3. 10 压缩机
5.3 .11 泵的减振、干式制冷机减振、其他减振
5 . 4 密封与检漏
5. 4.1 法兰
5. 4.2 阀门
5.4 . 3 常规管道
5.4 .4 小型管道、低温管道和自制真空腔体
5.4 .5 可拆卸自制密封
5.4 .6 焊接
5.4 .7 非金属表面密封
5.4.8 漏气现象
5.4. 9 放气、渗气、蒸发和虚漏
5. 4.10 检漏方法
5 .5 热交换气和干式制冷辅助降温手段
5 .5. 1 热交换气
5.5. 2 干式制冷辅助降温手段
5. 6 热开关
5 .6.1 气体热开关和液体热开关
5.6 .2 机械热开关
5.6. 3 超导热开关
5 .7 杜瓦
5. 7.1 常规低温隔热
5 .7.2 实验杜瓦基本结构
5.7. 3 移动杜瓦基本结构与阀门
5 .8 液氦与液氮传输
5.8.1 液体传输
5. 8.2 液面探测
5.9 磁体简介
5. 9.1 恒流超导螺线管磁体
5.9 .2 超导螺线管磁体的使用和保护
5.9 .3 小磁场线圈的绕制
5.9.4 其他磁体
5.10 氦样品制备
5. 10.1 液体与固体样品生长
5.1 0.2 样品质量
5.1 1 低温实验与安全
5 .11.1 通用实验安全
5.1 1.2 高压气瓶安全
5.1 1.3 低温液体安全
第六章：测量和设计实例
6.1 简单电测量
6.1.1 电阻测量简介
6.1 .2 常见低温交流测量电路
6.1.3 极大电阻和极小电阻的测量
6.1 .4 噪声
6.1 .5 滤波与接地
6. 1.6 引线类型、接口和热沉
6.1 .7 样品座
6. 1.8 接触电阻、门电极和接地保护
6. 1.9 电阻值标定
6.2 电测量中的温度
6 .2.1 电阻温度计的测量
6.2 .2 电子温度
6.3 交流法比热测量
6. 4 转动惯量测量
6.5 低温压强测量
6 .6 静液压
6 .7 旋转样品座
6 .8 液氦蒸发腔插杆
6.9 干式闭循环蒸发制冷
6. 10 干式核绝热去磁制冷机
6.10.1 核绝热去磁制冷机基本框架
6. 10.2 核绝热去磁制冷机温度测量与温标
6.1 0.3 核绝热去磁制冷机性能
6.1 0.4 核绝热去磁制冷机测量系统
6. 11 量子计算中的低温环境需求
6 .12 三维零件打印
6.13 氦气回收与液化
附录
附录一：扩展阅读
附录二：物理量和常用物理常量
附录三：数值前缀与单位换算
《物理》50年精选文章