Aplikace fyziky nízkých teplot • Vakuová fyzika • Vědecké přístroje • Biologie a medicína • Supravodiče • Raketová technika • Doprava • Ostatní aplikace □ t3 • Vy mra zo vačky • Sorpční vývěvy Vymrazovačky J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 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 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 4/52 Fyzika nízkych teplot 5/52 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 77,3 — 3 .10~9 10-4 101000 > 101 000 có 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 - — KT8 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 — — — — < 10'1 Hg 630 — — — — < 10"6 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 g x -o S (l sf) 15000 10000 5 000 O ' T Ar 10'9 K)'7 10 10" p(Pa) Obr. 4.89. Čerpací charakteristiky kryogenni vývevy s plochou chlazené stěny 2 000 cm2 pH teplotě 15 K pro dusík a argon j. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 □ Č? k výveve 1000 t (min) Obr. 4.94. Pokles tlaku ve vakuovém systému při čerpáni difúzni vývevou (/) a Čerpací soustavou skládající se z difúzni a kryogenní vývevy (//) odčerpávající helium He (kapalné) íl Obr. 4.95. Heliem chlazená kryogenni vývěva 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 j. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 S1 ke zkopalnovoa helia S Obr. 4.96. Heliem chlazená kryogenní vývěva (firma Leybold) / - 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 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,... □ t3 Gifford-McMahon LOW-PRESSURE FLUID RETURN TO COMPRESSOR \ EXHAUST VALVE V INLET VALVE P? HIGH-PRESSURE FLUID SUPPLY FROM COMPRESSOR •REGENERATOR -COOLING LOAD HEAT EXCHANGER EXPANSION PISTON CA expansion space volume Fig. Ä-7. Solvay Refrigeration Cycle Survey of Cryogenic Cooling Techniques, Aerospace Corp. 1972 Fyzika nízkých teplot 11 / 52 • 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 Fyzika nízkých teplot □ S 12 / 52 Vakuový systém urychlovače LHC Overall view of the ĹHC experiments. 50 - 150 m pod zemí, délka 27 km home.web.cern.ch/topics/large-hadron-collider Fyzika nízkých teplot 13 / 52 LHC Jumper connection Helium ring line. Warm helium recovery line Cryogenic distribution line [GRL] LHC machine cryostat Figure 11.1: Transverse cross-section of the LHC tunnel http://Ihc.web.cern.ch/lhc/ Fyzika nízkých teplot 14 / 52 ALIGNMENT TARGET MAIN QUADRUPOLE BUS BARS HEAT EXCHANGER TUBE SUPERINSULATION SUPERCONDUCTING COILS BEAM TUBES SHRINKING CYLINDER / HE 11-VESSEL IRON YOKE VACUUM VESSEL THERMAL SHIELD AUXILIARY BUS BARS AUSTENITIC STEEL COLLARS BEAM SCREEN IRON INSERT INSTRUMENTATION ^IRES FILLER PIECE DIFOLE BUS BARS SUPPORT POST iL_fk_.ll ALL U1MĽNEWNS AT -3Ů home.web.cern.ch/topics/large-hadron-collider Fyzika nízkých teplot <□► < g? ► •<-=:► < -=i ► = -0 0,0 15 / 52 LHC průměr asi 45 mm, 1 mm nerez ocel + 75 /im Cu, 5 - 20 K http://Ihc.web.cern.ch/lhc/ Fyzika nízkých teplot 16 / 52 ITER plazma: 840 m3, vakuum komora: 1400 m3, celkem vakuum: 8500 m www.iter.org □ g? - = Fyzika nízkých teplot 17 / 52 www.iter.org □ - = Fyzika nízkých teplot 18 / 52 ITER • potřebný tlak ~ 10 Pa, • komora: 840 m3 plazma, objem 1400 m3 , kryostat, celkem ~ 8500 m3 • na komoře 6 kryo-vývěv (4,5 K), 4 čerpají, 2 regenerace - 10 min., 100 K • na kryostatu a porn. zařízeních dalších 6 vývěv • sorbent: aktivní uhlí, 20 let výzkum - kokosové ořechy, Indonésie (2002) • nej větší celokovový ventil • první plazma 2025 ?, původní plán 2016 □ t3 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 vákuovému systému; # — ventily; 9 — hrdlo vývěvy z materiálu s malou tepelnou vodivostí (např. z nerezavějící oceli) ? J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkých teplot 20 / 52 • dominantní proces je fyzisorpce • dobře čerpá H2O, N2, O2, uhlovodíky • špatně čerpá Ne,He,H2,... • 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 □ t3 21 / 52 -------------38.1 angle vatve, model AV-150, Sorption pump, model SP-i 50, • Polystyrene 2 places Dewars katalog firmy Caburn □ r5> katalog firmy Caburn Fyzika nízkých teplot 23 / 52 katalog firmy Caburn Fyzika nízkých teplot 24 / 52 orption pump model SP-150 own installed in polystyrene Dewar Pressure relief stopper and chain. Retaining screen prevents! backflow of sorbent material. Support bracket, 3 places Liquid nitrogen, supplied by user. Type 5A synthetic zeolite sorbent material. SP-150 pump, aluminium body and internal fins. Polystyrene Dewar, purchased separately. View A-A limp only katalog firmy Caburn Fyzika nízkých teplot 25 / 52 Tepelná izolace - Dewarova nádoba 1 I 1 Obr. 67. Jednoduchá Dewarova nádoba pro přechovávání LN2 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 198^ Fyzika nízkých teplot 26 / 52 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 27 / 52 Ti + 02 —► Ti02 Ti + CO —> TiCO Ti+ C02 —>• TiC02 2 Ti + N2 —> 2 TiN 2 Ti + H20 —> TiO + H2 + Ti —► TiO + TiH2 Ti + H2 <—> TiH2 Fyzika nízkých teplot 28 / 52 o) $ 0t8mm Ti 0 Oj&mm Mo 02mm W Teploty tání: Mo: 2623 °C, Ti: 1668 °C, W: 3422 °C J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkých teplot 29 / 52 vstup k difúzni výveve ta 4700- Obr. 4.122. Velká kryogenní sublimační vývěva s čerpací rychlostí SH, = 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 plnění dusíkem J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika nízkých teplot 30 / 52 dominantní proces je chemisorpce dobře čerpá H2, 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 31 / 52 Vědecké přístroje chlazení detektorů CCD pro OES chlazení detektorů pro infračervenou spektrometrii chlazení výkonových laserů - HILASE supravodivé magnety kryostaty OES - chlazení CCD detektoru 4000 3500 \- 3000 \- „ 2500 \- 2000 1500 1000 500 200 300 400 500 600 [nm] 700 800 900 1000 Fyzika nízkých teplot 33 / 52 Sum CCD detektoru Andor Newton 940 10000 \- 03 1000 h ■60 ■40 ■20 0 20 teplota [°C] Fyzika nízkých teplot <□► < ► •<-=:► < -=i ► = -0 0,0 34 / 52 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 35 / 52 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 36 / 52 Supravodiče "0 40 TA 30 20 BiSrCatuO V .......i.....0 YllaCuO HfcRaCaCuOÉ 3QGPů; ^ HgllBaCaCuO EtjiPaCaCuO SrFFcAs Nb:d Sn .0 LaSrCuO q RbCsC^ LaBaCuO ....................... T @ 1.4 GPei V T.aí>FFíAs ; PuCoGa5 U@33GPaO t\l 1000 1040 13B0 diiímond A LaOFcF _i_L FeSe lm MiMi 1030 1335 Year 2000 j-:n . 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/ www. osel. cz/index.php?clanek=4144 Fyzika nízkých teplot 39 / 52 >>■■■ http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor: CERN-cables-pl030764.jpg Fyzika nízkých teplot 40 / 52 Raketová technika okysličovadlo - LO2, 90 K palivo u některých raket - LH2, 20 K, CH4 113 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 SpaceX Fyzika nízkých teplot 42 / 52 Doprava MAGLEV - první patent 1905 • 2015 rychlostní rekord 603 km/h • 7 tras v provozu • 2 trasy ve výstavbě Vactrain • první zmínky 1910 - R.Goddard • Swissmetro - projekt zastaven • Transatlantic tunnel • StarTram MAGLEV http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor: J R-Maglev-MLX01-2.jpg Fyzika nízkých teplot 44 / 52 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 45 / 52 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 46 / 52 Strojírenství • v polovině devatenáctého století švýcarskými hodináři • obráběcí nástroje, motory, medicína, sport, letecký a kosmický průmysl • odstranění zbytkových napětí • odolnost proti opotřebení • vyšší pevnosti a delší životnost • chladnutí 9 hodin, kryogenní teplota 24 hodin, ohřev 9 hodin Linde □ - = Fyzika nízkých teplot 47 / 52 SQUID Josephson jev - supravodic-izolator-supravodic magnetometr 5 x 10"18 T, (mag. pole Zeme 25-65 /iT) ikipedia.org Kvantové počítače • q ubity • 2011 - 128 qubitů • 2013 - 512 qubitů • 2015 - 1152 qubitů • 2017 - 2048 qubitů • 2020 - 5760 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 50 / 52 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 □ t3 Vojenské aplikace chlazení infra detektorů rakety - LO2 AIP pohon pro ponorky - palivové články magnetometry SQUID kvantové počítače