科学家在20年前曾预言，深冷技术将以一个重要的科技领域出现。果然，今天深冷技术已成为科学技术进展中的一个重要方面，并且还在不断发展中。
现在把研究低于120 K的温度的制取和应用的科学技术领域称为深冷技术（这一温度界限是1971年第13届国际制冷学会会议上通过的）。
只有低温，才有可能研究在常温时被分子热运动所掩蔽的物理现象。利用物质在低温时的特异性质，原则上不但可以实现新的工艺，而且还可根本改善现有的工艺过程。40年代，深冷技术即开始迅猛发展，应用范围愈来愈扩大。今天，其应用范围已如此广泛，以至可把其发展程度作为衡量某个国家科学技术水平的一个标志。
今天冶金工业、化学工业、动力工程和机械制造、无线电工程和电子仪器、火箭技术和宇宙航行，均得应用深冷过程和日益增多的深冷产品。化学反应和生物反应在低温下变慢的特性开始应用于食品工业、生物学和医学。深冷技术的发展导致形成了一批独立的科技分支——低温电子学、低温生物学和宇宙低温学等等。为了满足今天对深冷设备的需求，已形成了独立的工业部门——深冷机器制造工业。
可以把众多的深冷技术的现代应用分为两个基本方面：工艺方面和制冷方面。
工艺方面包括低温下实现的各种工艺过程。分离空气和各种气态混合物，制造氘和深冷火箭燃料，以及用于气体经济的远距离输送的气体液化等等，均系深冷技术在工艺方面应用的重点。
深冷技术的制冷方面，包括制取低温冷却剂（液态及固态），以及制造各种低温制冷器——制冷以冷却任何对象至低温的设备。
现在我们按上述两方面，讨论深冷技术就其所起作用和发展远景方面来看均属最主要的技术应用。
深冷技术在工艺过程中的应用
空气分离 在工业上深冷技术用于分离空气，制取氧和氮，以及从空气中提取氩、氪、氙和氖。
分离气体混合物及制取氦 深冷工艺还广泛用于分离其他的气态混合物。可由焦炉煤气、水煤气和石油气制取其组成的氢、甲烷、丙浣、乙烯和其他烃类气体，这座气体用作化学工业的基本原料，也在其他部门得到使用。深冷法被认为是由天然气中制取最珍贵的物质——氦气的最佳方法。在美国，氦被看作战略物资，有生产能力为每昼夜16万立方米以上原料氦（浓度为65%）的大型厂。
氢同位素的分离和氘的生产 通常低温精馏是分离气态同位素的最普遍的一个方法。用深冷技术制取氢的同位素——氘和氚，效率最高。这些同位素目前已在核装置中起着重要的作用，而它们用于现代能源问题的解决——受控热核聚变的前景则具有更重大的意义。
氢的稳定同位素——氘目前以重水的形式在核电站反应堆中用作冷却剂和中子慢化剂。预计氘将会在未来的动力工程中成为热核聚变装置中的主要工质。组成普通水的氢是制取氘的主要来源。尽管在水中氘的相对含量并不大（每6，000个普通氢核中有1个氘核），但地球上氘的总量很多。据И. B. 库尔察托夫的计算，潜藏在1升普通水中的能量大抵相当于400升石油的能量，因此，地球上的氘作为燃料足够用上几亿年。
目前对氘的需求量相当大。例如，一个使用重水的中等功率的核电站，就需重水150~250吨。深冷提取法是从氢中提取氘的最经济的方法。例如，用精馏液态氢的方法制取1公斤重水，消耗电能仅4~5千瓦小时；而用同位素交换法则需10万千瓦小时。如用电解水的方法则耗能更高。
也可用这种深冷法来制取氢的另一个同位素——氚。氚可用于热核聚变，也可作为同位素标记用于生物学研究中。氚还可用在氢武器中。
液化气体的输送近25年来，在工业发达国家的动力工业中，天然气体燃料起着日益巨大的作用，因而就产生了如何经济地把大量天然气从海上运送给广大用户的问题。深冷技术有助于该问题的解决。
为了降低运输费用，在开采地就地把天然气液化（体积可减小至1/600），用专门的海上油槽船以液态供应用户（在使用地使液体气化）。目前，为了输送天然气体，全球每年要液化400亿立方米气体，在气体需求总量中，液化天然气所占的比例，在日本为85宪，美国和西欧约为22~23%。运送液化天然气的油槽船队一直在增加，最大船只的装载量已超过12万立方米。
在许多情况下，氧、氮及氦等气体以液化状态输送也经济适用。
火箭发动机用的深冷燃料 采用液态氢和液态氧作为燃料的组分，是改善宇航用火箭发动机的一个现代途径。液氢与其他各种火箭燃料比，可获得最大的单位吸风力。液氧则是很好的氧化剂。
使用深冷液体燃料的发动机成功地用于美国、法国和苏联的火箭运载工具中。
火箭技术对液氢的需求量很大，如美国发射“土星V”装置就要用90吨液氢。
在航空中使用深冷燃料具有良好的前景。据报导，苏联从1988年已开始了以液氢和液化天然气作为燃料的图-155试验样机的飞行试验。
深冷技术的致冷方面
低温冷却的普遍手段 现在，要把任何对象冷却至相当于深冷范围的温度，通常采用两种方法，借助于深冷液体，或借助于专门的设备——低温制冷器。
通常把沸点低于120 K的液化气体称为深冷液体。它们可以是液态的氮或液态的氩、氢、氦、氖、甲烷和一氧化碳等。其中以液氮和液氨作为冷却剂具有最大的实用意义，它们的沸点在大气压下分别为77.3 K和4.2 K。今后可能液氖（沸点27.1 K）也会具有实用性。
最方便和最通用的冷却剂便是深冷液体，因此无论在科学研究，还是许多实用场合，均获得相当普遍的应用。液氮和液氧是最便宜易得的深冷液体。液氦的价格虽比液氮和液氧高得多，但要求温度低于30 K时，则非用液氦不可。
要长时间冷却某些对象（如发射接收装置、量子放大器及其他许多无线电子仪器），除使用深冷液体外，越来越多地采用自激制冷装置——低温制冷器。低温制冷器是在深冷温度范围，亦即低于-150℃的温度下制冷。目前工作温度为80至15 K的低温致冷器最为普及。
制冷器的结构不断地得到改进，其尺寸和重量日益减小，而连续工作能力则不断增强，现已达8千至1万小时。在任何状态下以至失重状态下均能工作，是低温致冷器较之其他制冷器的主要优点。因此，它们可用于宇宙飞船和航天站。
总之，无论是深冷液体，还是低温制冷器，作为普遍的冷却手段，具有相当好的前景。
超导与低温技术 在所有现代深冷制品中，以超导现象为基础的装置对技术进步有最重要的意义。能没有任何电阻通过电流时不显示的物质特性（超导性），在不久以前还只是在很低的温度——-23 K以下才呈现出来。
以超导体代替普通导体，将导致真正的技术革命。因为它不仅带来巨大的经济效益，（而且可以制造出比原有的轻巧得多、紧凑得多、可靠得多的新的高效的机械、仪器和设备。
那么迄今为止，是什么阻碍着超导广泛的实际应用呢？
首先，必须把超导设备冷却至很低的温度，为此就得使用昂贵的液氦。长久以来，科学家们找寻更高转变温度的超导体的无数尝试未能取得成功。30年内，超导转变温度只提高了5度——由18 K提高至23 K（从五十年代中期算起）。许多学者曾一度认为制造高温超导体属于空想，对此的兴趣已开始下降。这也就促进了制取液氦方法的改善，也促进了具有优异物理技术特性和工艺特性的、以铌为基础的低温超导体制造的工业开发。1986年中，形势发生了急剧的变化。IBM瑞士分公司的K. 缪勒尔和E. 别得诺尔茨发现了含钡-镧-铜-氧的金属陶瓷在32~36 K时的超导性。而1987年始，从美国、日本、苏联及其他许多国家不断传来关于取得各种不同组成的金属陶瓷，在80、90、100、120 K甚至更高的温度下超导转变的激动人心的消息。
高温超导领域已有所突破，出现了不用液氦而用液氮冷却超导装置的可能性，液氮比液氦便宜100~150倍，具有更高的蒸发热（高9倍），液化能耗小，，处理方便。
但发现高温超导迄今，已过去了将近5年，却还根本谈不上它们在实际设备中的广泛应用。问题在于，对于实际设备（特别是大型设备）来说，要求超导材料转变温度高以外，还应具有一系列其他性质，如：高的容许电流密度值和磁场破坏强度，在长时间内稳定的超导性，足够的加工塑性等等。其中许多指标，新的高温超导体目前还是不如传统的低温超导体。
因此，在改进新的超导材料的同时，所有以转变温度低于23 K的超导材料为基础的现代超导设备还在运转，并继续在设计出来，这类超导材料的工业规模的生产已掌握得相当好。铌和锡、钛、锆等元素的合金就属于这一类超导材料。尽管由其制成的超导设备要求冷却至液氦的温度，费用较大，但暂时还没有其他解决办法。
在一系列新的技术设备中运用超导，有无比的优越性，支出这笔高费用是合算的。首先，在用超导制取强磁场方面。超导磁体与传统的电磁体相比，又便宜，又紧凑，运行费还小。由0.01至1000立方厘米工作体积可获得5万至15万奥斯特的磁场强度。现在在超导磁体的基础上，已营造成为一系列科学技术领域的大本营。
高能物理 这里需要强磁场来加速、聚束和分析带电粒子，用以进行物质的基本性质的研究。高能物理的大型实验室要求的电功率，数量级达100兆瓦。如能采用超导磁体，则可大大缩减电能消耗，此外，还可产生更强的磁场。如果考虑到现代加速器中安设着成百上千个磁体，则很显然，在加速器工程中改用超导装置该有多么重要！
最大的磁体用在云室中。当带电粒子通过云室时，就留下一条雾迹（轨迹）。根据在磁场中轨迹的曲率，可确定粒子的动量。为要在云室整个空间内造成磁场，磁体的尺寸就要很大，这里也只有采用超导磁体才合理。例如，цepне云室的超导磁体，内径4.7米，中心磁场3.5万奥斯特。要采用功率为360千瓦的氦制冷机来冷却。如用铜线制的非超导的螺线管产生这同样的磁场，就要求60兆瓦的功率，即为用超导的165倍！
可控热核聚变 在工业性生产能量的热核反应堆中，看来以磁约束热氘-氚等离子体为最好。为此就必定要用超导磁体，如用普通磁体，则电能消耗可能要超过热核电站所能提供的电力。超导磁体广泛地应用于苏联的“托卡马克”型热核聚变研究装置中。热核装置的磁体质量很大——百吨数量级。例如，新的“托卡马克-15”装置（1990年开始试验）的超导磁体系统的质量为300吨。用来冷却的深冷装置每小时得生产420升液氦。
磁流体动力发电机 只有用磁流体动力发电机把热能转化为电能，大大地提高核电站的效率，从而颇大地节约矿物燃料，受控热核聚变才有可能获得实际应用。
在磁流体动力发电机中，为获取电流，热的工作气体必须通过一个横向磁场。跟在热核反应堆的情况一样，为要使发电机产生的能量超过消耗的能量，发电机所用的磁体一定得用超导磁体。磁体尺寸比在粒子加速器中要大得多。500兆瓦的工业磁流体动力发电机用的超导磁体系统的质量约为2000吨，要两个生产能力为每小时400升液氦的深冷装置来保证它的冷却。
超导电动机和贮电器 使用超导的优越性在大功率的电动机中表现最为明显。在用超导绕组的发电机中，磁场感应可增大近一倍，同时可免去激磁损失。这样几乎可把发电机的总重降至1/3，如直径稍作增大，则可把长度减至1/2。目前，一般透平发电机的最大功率不超过1600兆瓦，超导发电机的最大功率预期可达5000兆瓦，效率可高达99.8%。
超导磁体的能量密度显著超过一般电容器所能储藏的能量密度，可与储能轮中的能量密度相比拟。因此超导储能器可用于缓和大电网中昼夜电力消费的变化。超导磁体也可有效地应用于其他领域，如磁选机以及在磁垫上的高速运输工具等。
超导输电线路 全球能源需求在不断增长，未来学家估计，再过20~25年，能源需要量可能要增加一倍。现今在能源总消费中，电能约占30%，这一比例也有增长的趋势。
在电能成本中，生产电能本身的费用仅占三分之一，而三分之二是花在电力的输送和分配上。超导线路的主要优点，是可以免除克服导体电阻造成的损失，以及在不高的电压下输送大功率的电能。超导电缆的效率可达99.5%（普通电缆为95%），即使同时考虑用液氦冷却线路的费用，预计每年也可节约数亿卢布。如超导输电线路可以用液氮冷却的高温超导体，则节约值还可大幅度增长。
应用超导装置的其他远景方向中，值得指出的有仪表制造，电子计算机改进和医学等。例如，超导磁强计具有极高的灵敏度，可用于测量人体的磁场，而超导在计算机中的应用，不但可大大减小尺寸，还可提高运算速度。
每年都开创出深冷技术全新的应用领域。即使就深冷技术的现代应用的主要方面作走马看花的考察，也令人信服地表明，它在许多科学技术领域的发展中占有多么重要的地位。完全有理由认为，今后深冷工艺及深冷产品的运用，将扩展到人们生活及各个行业的一切新领域。
大约20年以前，美国的专家及未来学家根据深冷研究的重要意义及预期的实际效果，就把深冷技术看作是在热核动力工程及癌症问题之后的最重要的科学技术问题中的头等重要的一个。现在，这一预言已得到证实。深冷技术已成为科学技术进展中最有前途的一个领域。
[npupoòa，1991年12月］
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* Фрадков教授，列宁奖和国家奖获得者，原苏联科学院列别捷夫物理研究所科学顾问。在低温物理学和深冷技术领域有很深的造诣。