Aplikace fyziky nízkých teplot • Vakuová fyzika • Vědecké přístroje • Biologie a medicína • Supravodiče • Raketová technika • Doprava • Ostatní aplikace □ {3 Vakuová fyzika • Vy mra zo vačky • Sorpční vývěvy Vymrazovačky o) 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 77,3 — 3 .10~9 10~4 101000 > 101 000 có 81,6 — 5 .10"11 10~5 68 000 > 101 000 Ar 87,3 — 7 .10"n 10~5 31000 > 101 000 o2 90,2 — 1,3.10~11 ío-6 24 000 > 101 000 CH4 112 — — UT8 103 > 101 000 Kr 121 — — — 133 > 101 000 NH3 140 — — 103 >10t000 Xe 165 — — — 10"1 > 101 000 co2 195 — — — 10~6 101000 H20 373 — — — — < ío-1 Hg 630 — — — — < 10"6 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkých teplot S1 6 / 41 S(!šr) Í5000 10000 5 000 O 10'9 10' / N, ' T Ar V'5 10'3 v P (Po) Obr. 4.89. Čerpací charakteristiky kryo vývěvy s plochou chlazené stěny 2 000 ci teplotě 15 K pro dusík a argon j. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 P (Pa) 10'' TO' 1 \ y \ \ \ \ N \ 10 TOO 1000 ť (min) Obr. 4.94. Pokles tlaku ve vakuovém systému při čerpaní difúzni vývevou (/) a Čerpací soustavou skládající se z difúzni a kryogenní vývevy (//) k výveve odčerpávajíc! helium Obr. 4.95. Heliem chlazená kryogenni vývěva se stíněnim 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 j. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 fS1 = 1 0^(V ke zhpalnovoQ helia Obr. 4.96. Heliem chlazená kryogenní vývěva (firma Leybold) 1 - zásobník kapalného helia; 2 - dvojitá šroubovicová trubice chlazená kapalným heliem; 3 — vnitrní 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 Moderní kryogenní vývevy plynné He uzavřený okruh He nejnižší teploty 10 - 20 K není potřeba LN2 mezní tlak < 10"11 hPa chlazení - Gifford-McMahon/Solvay cyklus,... □ {3 Gifford-McMahon LOW-PRESSURE P, FLUID RETURN v TO COMPRESSOR V EXHAUST VALVEN/INLET VALVE Pp HIGH-PRESSURE FLUID SUPPLY FROM COMPRESSOR -REGENERATOR -COOLING LOAD HEAT EXCHANGER EXPANSION PISTON EXPANSION SPACE VOLUME Fig. 1-7. Solvay Refrigeration Cycle Survey of Cryogenic Cooling Techniques, Aerospace Corp. 1972 Fyzika nízkých teplot 11 / 41 • 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. Fyzika nízkých teplot 13 / 41 LHC Jumper connection Helium ring line. Warm helium recovery line Cryogenic distribution line [GRĽ) LHC machine cryostat W///4WA ///////; ///////? Figure 11.1: Transverse cross-section of the LHC tunnel http://Ihc.web.cern.ch/lhc/ □ Fyzika nízkých teplot 14 / 41 LHC průměr asi 45 mm, 1 mm nerez ocel + 75 /im Cu, 5 - 20 K http://Ihc.web.cern.ch/lhc/ Zeolitové vývěvy 6 Obr. 4.108. Zeolitová vývěva / - zeo!it;2 - přepážky; 3 — přetlakový ventil; 4 — Dewarova nádoba; 5 - síťka; 6 — potrubí k rotační vvvěvě; 7 — potrubí k vakuovému systému; ti — ventily; 9 — hrdlo vývěvy z materiálu s malou tepelnou vodivostí (např. z nerezavějící oceli) ŕ J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkých teplot 16 / 41 • dominantní proces je fyzisorpce • dobře čerpá H2O',iV2,02, uhlovodíky • špatně čerpá Ne, He, ••• • velký povrch, 1 g ~ 1000 m2, pracuje od ~ 105 Pa • dutiny a kanálky ~ 1 nm • dá se regenerovat při vysoké teplotě • zvětšení účinnosti snížením teploty zeolitu (tekutý dusík 77 K) • žádné vibrace Fyzika nízkých teplot □ 3 17 / 41 Sublimační vývěvy Princip - opakované vytváření povrchu čistého kovu (naparování, naprašování,...), nejčastěji se používá Ti. Teoreticky mohou pracovat od atmosférického tlaku, prakticky asi od 10~4 Pa. Fyzika nízkých teplot 18 / 41 Ti + 02 —> Ti02 Ti + CO —y TiCO Ti+ C02 —y TiC02 2Ti + N2 —y 2 TiN 2Ti + H20 —y TiO + H2 + Ti —y TiO + TiH2 Ti + H2 i—y TiH2 Fyzika nízkých teplot 19/41 o) 4 08mm Ti 00,6 mm Mo #2mm W Teploty tání: Mo: 2623 °C, Ti: 1668 °C, W: 3422 °C J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkých teplot 20 / 41 vstup k difúzni \ývévé --— äí 100— Obr. 4.122. Velká kryogenní sublimační vývěva s čerpací rychlostí SH, = 150 0001 s-1 (podle Prévota a Síedziewského, 1964) l — plášť; 2 — chlazení kapalným dusíkem; 3 — stínění pro tepelnou izolaci; 4 — zdroj par titanu; 5 — přívod proudu; 6 — otvor pro plnění dusíkem J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkych teplot 21 / 41 • dominantní proces je chemisorpce • dobře čerpá if2, H20, N2, CO, C02, 02 • nečerpá inertní plyny např. Ne, Ar,... • opakované vytváření čistého povrchu kovu, pracuje od ~ 10~4 Pa • získávání vysokého a extrémně vysokého vakua • zvětšení účinnosti snížením teploty pohlcujícího povrchu Fyzika nízkých teplot □ (3 - 1 ^0 Q, O 22 / 41 Vědecké přístroje chlazení detektorů CCD pro OES chlazení detektorů pro infračervenou spektrometrii chlazení výkonových laserů - HILASE supravodivé magnety kryostaty □ {3 OES - chlazení CCD detektoru 4000 3500 \- 3000 \- „ 2500 \- 03 2000 1500 1000 500 200 300 TE - 5 S NO-TE - 5 S 400 500 600 [nm] 700 800 900 1000 Fyzika nízkých teplot 24 / 41 Sum CCD detektoru Andor Newton 940 10000 r- 1000 h ■60 ■40 ■20 0 20 teplota [°C] Fyzika nízkých teplot 25 / 41 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 http://en.wikipedia.org/wiki/Herschel_Space_Observatory Fyzika nízkých teplot 26 / 41 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 27 / 41 Supravodiče 200 100 no 40 i j i ■ iii : HŘBaCaCuO 30 GPů; 0 TlBaCaCuí}* .0HsllBai:aOi() BiSrCaCuO V 0 : HgBaCaCliO YBaCuO : SrFFcAs FeSe lm 30 20 10 Li NbjCfe Nb-j Sn O t.aOrr^As _ Pb Nb CeCujSi2 ■ v PuiCoGa5 -l 1300 1340 13S0 1385 1330 1335 Year LL@33GPaU C'\T ÍRhna5; A —\alkT\ LaQFcF JIH id ^ «1.1 2010 wikipedia.org Supravodiče • přenos energie - Holbrook Superconductor Project - 600 m, LN2 - 49 000 I • supravodivé motory • akumulace energie - stabilizace el.sítě Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) - 1 MWh, testují se 20 MWh • LHC - NbTi (9 K) - chlazen na 1,9 K, havárie 19.9.2008, při proudu 8,7 kA, provozní proud 9,3 kA, rekonstrukce 700 m, ztráta 6 t He, celkové množství asi 120 t http://www. superconductors, org/ http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor: CERN-cables-pl030764.jpg Fyzika nízkých teplot 30 / 41 Raketová technika okysličovadlo - LO2, 90 K palivo u některých raket - LH2, 20 K • vojenské rakety - V2 - L02 4910 kg vyrobeno asi 5200 kusů;... • civilní rakety - Saturn V, Nl, Soyuz http://en.wikipedia.org/wiki/File: N l%2BSaturn5.jpg Raketová technika SpaceX - Falkon 9 FT okysličovadlo - LO2, palivo kerosin • havárie 1.9.2016 • podchlazené palivo LO2 - ~ 66 K • 02 kapalný 90 K, bod tuhnutí 54 K • pravděpodobná příčina - reakce tuhého O2 s kompozitní nádrží pro LHe Doprava MAGLEV - první patent 1905 • 2015 rychlostní rekord 603 km/h • 6 tras v provozu • 4 trasy ve výstavbě Vactrain • první zmínky 1910 - R.Goddard • Swissmetro - projekt zastaven • Transatlantic tunnel • StarTram • Hyperlloop - max. 1300 km/h, 100 Pa, vzduchový polštář, 35 min - 570 km, projekt nepoužívá nízké teploty MAGLEV http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor: J R-Maglev-MLX01-2.jpg Fyzika nízkých teplot 34 / 41 doprava zemního plynu LNG, teplota -160 °C = 113 K (CH4), počet zkapalňovacích stanic - 42 (2015) Evropa - 25 přístavů pro příjem (2015), typická délka cesty tankeru 20 dnů - odpar asi 2 - 6 % LNG tanker Q-max - 14 lodí, délka 345 m, 266 000 m3 LNG - jako palivo (železnice, silnice) letadla - bezpilotní Boeing Phantom Eye - LH2 LH2 - doprava, energetika, vodíková ekonomika LNG - zemní plyn kapalný LPG - propan-butan CNG - zemní plyn, stlačený Fyzika nízkých teplot 35 / 41 Ostatní aplikace • skladování potravin • při záplavách - záchrana knih a dokumentů • čištění povrchů suchým ledem CO2 -78 °C • strojírenství - odolnost vůči opotřebení, otřepy • detektory magnetického pole - SQUID • kvantové počítače - supravodiče • teleportace - Boseho-Einsteinův kondenzát - Rb, 170 nK • získávání vody • akumulace energie Fyzika nízkých teplot 36/41 SQUID Josephson jev - supravodič-izolátor-supravodič magnetometr 5 x 10-18 T, (mag. pole Země 25-65 /iT) en.wikipedia.org Fyzika nízkych teplot Kvantové počítače • q ubity • 2011 - 128 qubitů • 2013 - 512 qubitů • 2015 - 1152 qubitů • 2017 - 2048 qubitů • supravodiče • NSA - lámání šifer D-Wave - 128 qubit en.wikipedia.org Kvantová teleportace Boseho-Einsteinův kondenzát - Rb 170 nK, 2001 - Nobelova cena kvantové efekty na makroskopické úrovni atomy, fotony, ... změna kvantového stavu Fyzika nízkých teplot 39 / 41 Získávání vody ze vzduchu Princip - kondenzace Zařízení firmy Aqua Sciencis - vírová trubice, na výstupu teplota až -46 °C 4500 litrů denně http://www.osel.cz/index.php?clanek=2499 □ {3 Vojenské aplikace chlazení infra detektorů rakety - LO2 AIP pohon pro ponorky - palivové články magnetometry SQUID kvantové počítače