磁制冷技术

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1976年布朗(G.V．Brown)成功地进行了室温磁制冷实验，这激发了人们对以磁性物质为制冷工质的新制冷方式(即所谓磁制冷)的研究。特别是20世纪80年代超导技术的发展，使液氦制冷技术的高效率化成为低温工程的一个主要研究课题，这也促进了20K以下低温区域的卡诺循环磁制冷机的研究。
另一方面，为了提高蓄冷式(回热式)制冷机的制冷效率，将在低温下(约10K)发生相变的重稀土磁性物质用作低温蓄冷材料的研究也开始出现，并取得了显著的成果。磁性物质在低温制冷机的应用前景是十分美好的。
所谓磁性物质在制冷机中的应用，主要是利用随着磁熵变化伴随的吸热或放热现象。磁熵是温度T 和磁场B 的函数，因此有两种方法可使磁熵发生变化。一种是在顺磁状态下对磁性物质施加外磁场；另一种是在磁相变Tc附近改变磁性物质的温度。前者外加强磁场，有意识地控制磁熵，实现吸热和放热，称为能动(active)用法。磁制冷便是属于这种方法。后者是改变在T0附近磁性物质的温度，利用相变时出现的较大的磁热容，称之为被动(Passitive)用法。这一方法的典型代表就是液氨温区的磁性蓄冷材料。
早在1920年，德拜(Debye)和吉奥克就在理论上提出利用磁热效应可以进行制冷。1933年用"绝热去磁冷却"法，从4.2K出发获得了0.8K的低温。随后，这种方法发展为"核去磁冷却"，对极低温，特别是μK级温度环境的生成发挥着巨大的作用，成为现代低温物理不可缺少的研究手段之一。
"绝热去磁冷却"由‘等温磁化和绝热去磁两个过程构成，由于后一过程实现冷却而被如此命名。
为了实现制冷循环，只要首先在高温环境中对工质施加外场X，并等温地实现伴随着熵的减少而进行的放热过程；然后在低温下撤除外场X,让工质进行等温吸热；最后在这两个过程之间用适当的过程加以连接，就可以完成制冷操作。
根据用不同种类的过程连接上述两个等温过程，可以定义各磁卡诺循环是用绝热去磁和绝热磁化过程来连接两个等温过程的。在这两个绝热过程中，由于与外部系统之间没有热量的交换，系统的熵保持一定。
实现这个磁卡诺循环的磁制冷机的原理如图所示。热开关和磁性制冷工质将在后面的章节中详细讨论，这里先对磁制冷机中卡诺循环的四个过程是通过怎样的操作实现的加以简单叙述。
(1)等温磁化过程(图中的Ac-Bc过程)先合上热开关I，打开热开关II,然后将磁场从B1增大到B2。通过热开关I，有热量ΔQ 向高温热源排出，同时磁性工质等温地将自己的熵减少。
(2)绝热去磁过程(图中的Bc-过程) 先把热开关I和II同时打开，然后将磁场从B2减小到B3。由于没有热量流入或流出系统，磁性工质的熵保持不变。对于相变温度Tc很低的磁性物质，温度与磁场的关系近似地按(B2-T1)=(B3／T2)给出。
(3)等温去磁过程(图中的－Dc过程) 合上热开关II，打开热开关I，继续将磁场从B3减小到B4。磁性工质的熵等温地增加，同时通过热开关II从低温热源吸收热量△Q2。
（4）绝热磁化过程(图中的Dc—Ac过程)把热开关I和II同时打开，将磁场从B4增大到B3。这刚好与过程2相反，磁性工质沿Dc-Ac线等熵变化，其温度从T2上升到T1。