Aplikace fyziky nízkých teplot • Vakuová fyzika • Vědecké přístroje • Biologie a medicína • Supravodiče • Raketová technika • Doprava • Ostatní aplikace □ {3 Vakuová fyzika • Vymrazovačky • Sorpční vývěvy Vymrazovačky o; b) c) X ■3 rt XJ. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkych teplot 1 1 vOQ^O ční vývěvy • kryogenní • zeolitové • sublimační princip: vázání plynů a par na povrch a v materiálech k tomu zvláště připravených koeficient ulpění blízký jedné, doba pobytu co největší plyn zůstává uvnitř vývěvy (čerpaného prostoru) ve vázaném stavu na sorbujícím povrchu, nebo ve vrstvách pod povrchem čerpací rychlost je úměrná velikosti sorbujícího povrchu Fyzika nízkých teplot 3/39 Kryogenní (kryosorpční) vývěvy Princip: adsorbovaní a kondenzace plynů a par kryogenní vývěva - teplota < 30 K kapalný dusík (77 K) - vymrazovačka Kryogenní vývěvy se zpravidla používají na získání ultravakua, uvádí se do činnosti až po získání nízkého vakua jiným typem vývěv (difuzní, turbomolekulární,...) Fyzika nízkých teplot 4/39 2___ Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Tab. 4.11. Tlak některých plynů čerpaných kryogenními vývevami nebo vymrazovačkami Tlak plynu (Pa) čerpaného vývěvou chlazenou Čerpaný Bod varu kapalným tuhým plyn (K) He H2 Ne co2 4,2 K 20,4 K 27,2 K 77,3 K 195 K He 4.2 101 000 > 101 000 > 101 000 > 101 000 > 101 000 H2 20.4 4,6.10"5 101000 > 101 000 > 101 000 > 101 000 Ne 27,2 — 60 000 101 000 > 101 000 > 101 000 N2 77,3 — 3 . 10~9 10~4 101000 > 101 000 CO 81,6 — 5 .KT11 10~5 68 000 > 101 000 Ar 87,3 — 7 .10"n 10~5 31000 > 101 000 o2 90,2 — 1,3.10"11 10~6 24 000 > 101 000 CH4 112 - — 10~8 103 > 101 000 Kr 121 — — — 133 > 101 000 NH3 140 — - — 103 > 101 000 Xe 165 — — — ío-1 > 101 000 co2 195 — — — 10~6 101000 H20 373 — — — < 10'1 Hg 630 — — — — < 10"6 S f! š9) 15000 10000 5 000 O / N, T Ar 7Í?"5 10' 10' 10 P (Po) Obr. 4.89. Čerpací charakteristiky kryogenni vývevy s plochou chlazené stěny 2 000 cma pH teplotě 15 K pro dusík a argon p(Pa) io-2 TO ■3 to -4 TO -S 10 -6 \ \ \ \ N \ kJ 10 w 1000 t (min) Obr. 4.94. Pokles tlaku ve vakuovém systému při čerpání difúzni vývevou (/) a Čerpací soustavou skládající se z difúzni a kryogenní vývěvy (//) k výveve odcerpavojici helium He (kapalné) n Obr. 4.95. Heliem chlazená kryogenni výveva se stíněním chlazeným dusíkem 1 - zásobník kapalného helia; 2 - válec; 3 — válcová spojovací součást s velkou tepelnou vodivostí; 4 - zásobník kapalného dusíku; 5 - příruby; 6 - detektor výšky hladiny helia; 7 - průchodka detektoru kt zkapolnovoa helia Obr. 4.96. Heliem chlazená kryogenní vývěva (firma Leybold) 1 - zásobník kapalného helia; 2 — dvojitá šroubovicová trubice chlazená kapalným heliem; 3 - vnitřní závit; 4 - vnější závit; 5,8 - ventily; 6 - rotační olejová vývěva; 7 - termočlánek; 9 - ionizační vakuometry. Vývěva 6 čerpá páry kapalného helia a snižuje tak jeho teplotu •J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 5 ^) c\ o Fyzika nízkych teplot Moderní kryogenní vývevy plynné He uzavřený okruh He nejnižší teploty 10 - 20 K není potřeba LN2 mezní tlak < 10~n hPa chlazení - Gifford-McMahon/Solvay cyklus,... □ {3 Gifford-McMahon LOW-PRESSURE P, FLUID RETURN v TO COMPRESSOR V EXHAUST VALVE V INLET VALVE P. HIGH-PRESSURE FLUID SUPPLY FROM COMPRESSOR cr -REGENERATOR -COOLING LOAD HEAT EXCHANGER EXPANSION PISTON CA EXPANSION SPACE VOLUME Fig, 2-7, Solvay Refrigeration Cycle 7Survey of Cryogenic Cooling Techniques, Aerospace Corp. 1972 Fyzika nízkých teplot 11 / 39 • kryokondenzace (většina plynů) • kryosorpce (Ne,H2,He) • kryotrapping efekt (porézní vrstva kondenzovaného plynu) • může pracovat od atmosférického tlaku • chlazení typicky He • získávání vysokého a extrémně vysokého vakua • velká čerpací rychlost • mezní tlak vývěvy je dán tenzí par čerpaného plynu při teplotě kondenzační stěny • po určité době provozu nutná regenerace LHC Overall view of the LHC experiments. 8 8 http: //Ihc.web.cern.ch/lhc/ Fyzika nízkých teplot = LHC Figure 11.1: Transverse cross-section of the LHC tunnel 9_ 9 http: //I he. web.cern.cn/lhc/ Fyzika nízkých teplot 4 □ ► < g 14 / 39 LHC Pumping skit shield Pumping slots Cooling tube "Saw teeth" Copper í aver I tin ľ it anal weld Beam screen tube Sliding, ring průměr asi 45 mm, 1 mm nerez ocel + 75/im Cu, 5-20 K, 10 10 http: //Ihc.web.cern.ch/lhc/ □ <3 Fyzika nízkých teplot - -1 -O Q,o 15 / 39 Zeolitové vývěvy Obr. 4.108. Zeolitová vývěva / - zeolit; 2 - přepážky; 3 - přetlakový ventil; 4 - Dewarova nádoba; 5 - síťka; 6 — potrubí k rotační vývěvě; 7 — potrubí k vakuovému systému; tt — ventily; 9 — hrdlo vývěvy z materiálu s malou tepelnou vodivostí (např. z nerezavějící oceli) / 11 11 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkych teplot • dominantní proces je fyzisorpce • dobre čerpá A/2, O2, uhlovodíky • špatně čerpá A/e, /-/e, H2,... • velký povrch, lg ~ 1000 m2, pracuje od ~ 105 Pa • dutiny a kanálky ~ 1 r/m • dá se regenerovat pri vysoké teplotě • zvětšení účinnosti snížením teploty zeolitu (tekutý dusík 77 K) • žádné vibrace Fyzika nízkých teplot □ S 17 / 39 Sublimační vývěvy Princip - opakované vytváření povrchu čistého kovu (naparování, naprašování,...), nejčastěji se používá Ti. Teoreticky mohou pracovat od atmosférického tlaku, prakticky asi od 10~4Pa. Fyzika nízkých teplot 18 / 39 Ti + 02 —> Ti02 Ti+CO —y TiCO Ti + C02 —> TiC02 2 Ti + N2 —> 2 Ti N 2Ti+H20 —► TiO + H2+ Ti —> TiO + TiH2 Ti+H2 <—> TiH2 Fyzika nízkých teplot 19/39 o) Teploty tání: Mo - 2623 °C, Ti - 1668 °C, W - 3422 °C J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198ä> Fyzika nízkých teplot 20 / 39 13 vstup k difúzni výveve &4>T0G- Obr. 4.122. Velká kryogenní sublimační výveva s čerpací rychlostí 5H, = 150 0001 s-1 (podle Prévota a Sledziewského, 1964) l — plášť; 2 — chlazení kapalným dusíkem; 3 — stínění pro tepelnou izolaci; 4 — zdroj par titanu; 5 — přívod proudu; 6 — otvor pro plnéní dusíkem 13 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 - Fyzika nízkých teplot • dominantní proces je chemisorpce • dobře čerpá H2, H20, A/2, CO, C02, 02 • nečerpá inertní plyny napr. A/e,/4r,... • opakované vytváření čistého povrchu kovu, pracuje od ~ 10~4Pa • získávání vysokého a extrémně vysokého vakua • zvětšení účinnosti snížením teploty pohlcujícího povrchu Fyzika nízkých teplot □ ŕš1 - 1 ^0 Q, O 22 / 39 Vědecké přístroje chlazení detektorů CCD pro OES chlazení detektorů pro infračervenou spektrometrii chlazení výkonových laserů - HILASE - 150 K - 30 m/s supravodivé magnety kryostaty Fyzika nízkých teplot 23 / 39 OES - chlazení CCD detektoru 4000 3500 \- 3000 \- „ 2500 \- 2000 1500 1000 500 200 300 —i-r TE - 5 s NO-TE - 5 s 400 500 600 [nm] 700 800 900 1000 Fyzika nízkých teplot 24 / 39 Herschel Space Observatory start 14.5.2009, raketou Ariane 5 váha 3.3 t umístění L2, soustavy Země-Slunce primární zrcadlo má průměr 3.5 m 2300 I LHe, 1.4K předpokládaná životnost 3 roky 29.4.2013 - mise ukončena 14 http: //en.wikipedia.org/wiki/Herschel_Space_Observatory ► 4 = ► < = ► Biologie a medicína dlouhodobé skladování virů a bakterií dlouhodobé skladování bio-preparátů dlouhodobé skladování semen kryoskalpel - chladící rychlost 1300 °C/min celotělová kryoterapie, -110 °C až -160 °C, asi 3 minuty Fyzika nízkých teplot 26 / 39 Supravodiče 201) Iňt) 100 l no 40 20 10 u I J I ■ II : H&BaCaCuO