氦-3状态方程及热物理性质研究

论文摘要

氦-3是氦的稳定性同位素之一，十分稀缺昂贵。氦-3以其独特的热物理性质在基础物理、低温工程、空间科学、核聚变等高科技领域有着重要应用：比如利用氦-3/氦-4稀释制冷或氦-3绝热压缩制冷获取mK级低温；利用氦-3的超流性搜寻宇宙反物质和暗物质；利用氦-3的核磁矩实现超极化核磁共振成像；氦-3作为重要热核反应原料等等。这些应用大多需要氦-3热物性数据的支持。虽然有关氦-3的热物性测量和理论研究在过去50年已大量开展，但是其宽范围热力学状态方程、完整的热力学数据图表以及热物性计算程序一直处于空缺状态。为了解决这个制约氦-3各项应用获得进一步发展的瓶颈，本文以研究氦-3相平衡曲线和流体区热力性质及状态方程为目标，开展了以下工作： 1．氦-3热物性实验数据的总结和处理 具有足够数量的参考数据是发展任何经验型或者半经验型状态方程的必要前提。历时四年多的文献调研工作收集了大量有关氦-3的pvT、定容比热容、定压比热容、声速、焓、熵、膨胀系数、压缩系数、汽化潜热、第二和第三维里系数、焦耳—汤姆森系数、热导率、粘度和表面张力等热物性的实验测量值和理论计算值，形成了可编辑查找的电子参考数据库，包含单位制、温标、出处和年代等详细信息。出于连续性和统一性考虑，对收集到的氦-3参考数据进行了单位制和温标转换、数据筛选和权重分配。利用处理后的参考数据进行数值插值计算，获得了相应范围内的氦-3温熵图和压焓图。 2．氦-3饱和曲线特征方程 研究了氦-3在气--液相平衡曲线上的热力学性质，包括饱和蒸气压、饱和密度、汽化潜热、比热容以及焓和熵等。提出了0.003 K～临界点3.3157 K温区的高精度氦-3蒸气压方程和饱和密度方程。前者不仅精确定义了饱和曲线上的蒸气压—温度依赖关系，而且为当前采用的国际温标（ITS-90）在极低温段的扩展提供了理论依据；后者采用无量纲形式，同时适用于饱和曲线液体侧和蒸气侧，突破了其它流体同类方程的温度适用下限。 3．氦-3熔化曲线特征方程 从宏观实验测量和微观原子作用机理、统计理论相结合的角度出发，提出了0.001 K～30 K大

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1-1 研究背景概要
• 1-2 氦-3的基本性质及其相图
• 1-3 氦-3的获取来源
• 1-4 氦-3的应用
• 1-5 本文工作介绍
• 第二章 氦-3实验数据总结及处理
• 2-1 单位制与温标的转换
• 2-2 氦-3热力学性质参考数据
• 2-3 采用数学插值算法计算氦-3热物性
• 2-4 本章小结
• 第三章 氦-3饱和曲线特征方程
• 3-1 氦-3的临界性质
• 3-2 氦-3饱和蒸气压方程
• 3-3 氦-3饱和密度方程
• 3-4 氦-3气—液饱和曲线上的其它性质
• 3-5 本章小结
• 第四章 氦-3熔化曲线特征方程
• 4-1 氦-3的熔化压力方程
• 4-2 氦-3的熔化密度方程
• 4-3 氦-3熔化曲线上的其它性质
• 4-4 本章小结
• 第五章 氦-3状态方程热力学框架
• 5-1 氦-3 Gibbons状态方程及其改进形式
• 5-2 氦-3专用经验方程框架构建
• 5-3 氦-3热力学框架在正常液相区的应用
• 5-4 本章小结
• 第六章 基于德拜声子模型的氦-3状态方程
• 6-1 氦-3德拜比热容模型通用状态方程
• 6-2 氦-3热物性计算软件He3Pak
• 6-3 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7-1 工作总结
• 7-2 主要创新点
• 7-3 工作展望
• 参考文献
• 附录一：攻博期间的研究成果
• 附录二：参与科研项目与成果、获奖与荣誉称号、参加国际会议
• 致谢