Sorpční vývěvy 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 Typy vývěv • kryogenní • zeolitové • sublimační iontové • vypařované getry • nevypařované getry (NEG) Kryogenní (kry o sorpční) vývěvy Princip: adsorbovaní a kondenzace plynů a par kryogenní vývěva - teplota < 30 K kapalný dusík (77K) - vymrazovačka Kryogenní vývěvy se zpravidla používají na získání ultravakua, uvádí se do činnosti až po získání nízkého vakua jiným typem vývěv(difuzní, turbomolekularní,...) Tab. 4.9. Hodnoty trojného bodu Plyn (pára) Tla (K) Pni (P») Tb(K) He ia 3000 5,3 228 000 H2 14,0 7 100 33,3 1 290 000 o2 54,4 150 154,4 5 010 000 N2 63,2 12 500 126,1 3 380 000 Ne 24,5 44 500 34,5 2 610 000 Ar 83,9 68 700 150,8 4 840 000 vzduch 132,6 3 630 000 Tab. 4.10. Body varu a tání nékterých plynů a par a kapalného vzduchu (při atmosférickém tlaku) Plyn (pára) Bod varu Bod táni (K) (°c) (K) (°C) He 4,2 -269,9 1,2 -272 20,4 -252,8 14,2 -259 Ne 27,2 -245,9 24,2 -249 N3 77,3 -195,8 63,2 -210 CO 81,6 -191,5 66,2 -207 Ar 87,3 -185,9 83,9 189 o2 90,2 -183 54,2 219 CH„ 11,8 -161,4 89,1 -184 Kr 121,0 -152,1 116,2 -157 NH3 139,7 - 33,4 196,1 - 77 Xe 165,1 -108 161,2 -112 co2 194,7' ) - 78,5 _ — H20 373,1 100 273,2 0 Hg 630 357 234,2 - 38,9 kapalný vzduch2) ihned po zkapalnění -80 --193 -60 ~ —213 (22%02,78%N2) po odpaření dusíku 90,2 -183 54,2 -219 100 %o2 Tab. 4.11. Tlak některých plynů čerpaných kryogenními vývevami nebo vymrazovačkami Tkl k plynu (Pa čerpaného \ ývěvou chlazenou Čerpaný Bod varu kapalným tuhým plyn (K) He Ne N2 CO, 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 > 101000 Ne 27.2 - 60 000 101000 > 101 000 > 101000 N2 77,3 - 3 . 10"9 10" 4 101000 > 101 000 CO 81,6 - 5 .10"" 10 5 68 000 > 101 000 Ar 87,3 - 7 .10"" 10" 5 31000 > 101 000 o2 90,2 - 1,3.10"" io- 6 24 000 > 101 000 CH4 112 - - 1 10 8 103 >101 000 Kr 121 - - - 133 > 101 000 NH3 140 - - - 103 > 101 000 Xe 165 - - - 10'1 >101 000 co2 195 - - - 10"6 101000 H20 373 - - - - < 10"' Hg 630 — — < 10" a ► <<3 ► « s ► < a ► * Obr. 4.88. Závislost měrné čerpací rychlosti S( na teplotě: a) na povrchu chlazeném kapalným H2 při různých tlacích dusiku (" = I), b) na povrchu chlazeném kapalným He při různých tlacích H2 (pro y — l) Obr. 4.89. Čerpací charakteristiky kryogennt vývěvy s plochou chlazené stěny 2 000 cmJ při teplotě 15 K pro dusík a argon p(Pa) v' 7 \ l\ \ \ \ < \ \ \ 10 1000 ť (min) Obr. 4.94. Pokles tlaku ve vakuovém systému při čerpání difúzni vývevou (/) a čerpací soustavou skládající se z difúzni a kryogenní vývěvy (II) Obr. 4.95. Heliem chlazená kryogenní výveva se stíněním chlazeným dusíkem / — 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 •0°. *s zkipalňovoa heih 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 4 □ ► « fiP ► < -s ► 4 š Moderní kryogenní vývevy • plynné He • uzavřený okruh He • nejnižší teploty 10 -20 K • není potřeba LN2 • mezní tlak < 10~n mbar « □ ► 4 & > 4 -š ► 4 • kryokondenzace (většina plynů) • kryosorpbce (Ne,H2>He) • kryotrapping efekt (porézní vrstva kondenzovaného plynu) • může pracovat od atmosférického tlaku • chlazení typicky He, H2 • 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 4 & > 4 -š ► 4 š ► -Š O^O F6450 16 / 30 Fyzika nízkych teplot • 1876 zkapalnění vzduchu • 1908 zkapalnění He Literatura: • internet • J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Tab. 4.3. Inverzní teploty Tt Jouleova-Thomsonova jevu pro kryogenní plyny Plvn o, Ar N2 Ne D H2 *He 3He T, (K) 770 725 620 250 215 204 46 39 teplota, kdy se plyn chová jako ideální plyn a) b) c) Obr. 15. Schémata tří systémů využívaných pro zkapalňování He: a) Zkapalňovač s předchlazením He v lázni LN2 a LH2, b) zkapalňovač s předchlazením He lázni LN, a s jedním expandérem, c) zkapalňovač pracující bez předchlazeni - využívající dvou expandérů (K kompresor, Vx až Vs protiproude tepelné výměníky, E expandéry, Měření nízkých teplot Definice: Pro každý systém existuje jistá intenzivní stavová veličina - teplota, mající stejnou hodnotu ve všech systémech, které jsou navzájem v rovnováze Mezinárodní praktická teplotní stupnice ITS-90, www.ITS-90.com. 17 pevných teplotních bodů 3 - 1357.77 K • plynové teploměry • polovodičové teploměry • odporové teploměry • ... 4 & > 4 -š ► 4 š ► ITS90 Number Temperature T90 K t90°C Substance a State b 1 3 to 5 -270.15 to -268.15 He V 2 13.8033 -259.3467 e-H2 T 3 17 -256.15 e-H2 (or He) V 4 20.3 -252.85 e-H2 (or He) V 5 24.5561 -248.5939 Ne T 6 54.3584 -218.7916 o2 T 7 83.8058 -189.3442 Ar T 8 234.3156 -38.8344 Hg T 9 273.16 0.01 H20 T 10 302.9146 29.7646 Ga M 11 429.7485 156.5985 In F 12 505.078 231.928 Sn F Obr. 53. Realizace trojného bodu vody (273,16 K) B - odplyněná, redestilovaná voda, F - voda a tající led, C - led, D -vodní para, po několika hodinách, v časti E teplota trojného bodu 273.16 K ± 0.2 mK s < i ► i Obr. 36. Jednoduchý Šimonův plynový teploměr plyn He (ideální plyn) referenční tlak a teplota To , po T = Tq — Po za předpokladu V2 = 0 rozsah měřených teplot 1-300 K 4 □ ► < & > 4 2ř um 2,0 1,2 KA1Ô7 - ----------- V - - KF 506 - DT- SOO^"^ - O 20 W 60 100 200 T(K) Obr. 50. Teplotní závislost spádu napětí na Si diodě DT-500 při proudu 10 uA v propustném směru [123], na dvou čs. Si diodách KA 207 a na čs. Si tranzistoru KF 506 (báze-emitor) při proudu 50nA(diody)al50uA (tranzistor) v propustném směru [124] ■Oo,f> 26 / 30 Tepelná izolace • Dewarovy nádoby • super izolace • pěnová izolace 4 □ ► 4 & > 4 He(kopolné) Obr. 4.97. Dewarovy nádoby: a) kovová (jednoduchá) nádoba na kapalný dusík; / - vnitřní stena: J - vnější stína: 3 - evakuovaný meziprostor: 4 - aktivní uhlí (připevněno síťkou); 5 - zátka; 6 - pružný závěs: 7 — plášť; A' — rukojeť b) dvojila nádoba na kapalné helium; / - vnitřní nádoba (s kapalným heliem); 2 - vnejäl nádoba (s kapalným dusíkem); 3 - plášť;'/ - heliový manometr;3 - pojistný ventil helia Aplikace • vakuová technika • věda a výzkum - chlazení detektorů, základní výzkum,... • medicínské aplikace - kryosauna (-160°C, 3 min.) • transport zemního plynu (-162°C) • raketová technika (V2 -LO2 4910 kg, vyrobeno asi 5200 kusů; Saturn V, Soyuz, ...) • supravodiče • supravodivé magnety (ITER - 5.3 T) • Maglev ( 581 km/h) • detektory magnetického pole SKVID • přenos el.energie • elektrické motory F6450 30 / 30