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 Vakuová fyzika 2 1 / 46 Typy vývěv • kryogenní • zeolitové • sublimační • iontové • vypařované getry • nevypařované getry (NEG) Vakuová fyzika 2 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 (difúzni, turbomolekulární,...) Vakuová fyzika 2 3/46 Tab. 4.10. Body varu a tání některých plynu a par a kapalného vzduchu (při atmosférickém tlaku) Plyn (pára) Bod varu Bod tání (K) (°C) (K) <°C) He 4,2 -269,9 1,2 -272 H2 20,4 -252,8 14,2 -259 Ne 27,2 -245,9 24,2 -249 N2 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 CH4 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 _ HaO 373,1 100 273,2 i Hg 630 357 234,2 - 38,9 kapalný vzduch2) ihned po zkapalnění -80 --193 -60 --213 (22%02, 78%N2) po odpařeni dusíku 90,2 -183 54,2 -219 100 % o2 2J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 ■0 0,0 Vakuová fyzika 2 koef.ulpění pro dusík s různou teplotou 3 3J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198* ► Vakuová fyzika 2 Tab. 4.1). 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 H, 20.4 4,6.10"5 101000 > 101 000 > 101 000 > 101 000 Ne 27 2 - 60 000 101000 > 101 000 > 101000 N, 77,3 - 3 .ur9 ur4 101000 > 101 000 CO 81,6 - 5 .10"" ío-5 68 000 > 101 000 Ar 87,3 - 7 .10"" ío-5 31000 > 101 000 o2 90,2 - 1,3.10 " 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-' > 101 000 co2 195 - - - ío-" 101000 H20 373 - - - < ÍO"1 Hg 630 - - - - < 10* Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 2 Obr. 4.89. Čerpací charakteristiky kryogennl vývěvy s plochou chlazené stěny 2 000 cm1 při teplotě 15 K pro dusík a argon PÍPa) o" \ \ \ \ 1 J 10 100 1QO0 ť (min) Obr. 4.94. Pokles tlaku ve vakuovém systému při čerpání difúzni vývevou (/) a Čerpací soustavou skládající se z difúzni a kryogenni vývěvy (//) Obr. 4.95. Heliem chlazená kryogenni vývěva se stíněním chlazeným dusíkem I - zásobník kapalného helia; 2 - válec; 3 - válcová spojovací současí s velkou tepelnou vodivostí; 4 - zásobník kapalného dusíku; J - příruby; 6 - detektor výiky hladiny helia; 7 - průchodka detektoru Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 ■0 0.0 Vakuová fyzika 2 ke zkapalnoYoa helia 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 9J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 ■o «. Vakuová fyzika 2 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,... Gifford-McMahon LOW-PRESSURE Pi FLUID RETURN v TO COMPRESSOR X «VlNLE' Po HIGH-PRESSURE - FLUID SUPPLY FROM COMPRESSOR EXHAUST VALVE V INLET VALVE ri ÉtoT1 CT -REGENERATOR -COOLING LOAD HEAT EXCHANGER -EXPANSION PISTON EXPANSION SPACE VOLUME Fig. 2-7, Solvay Refrigeration Cycle 10 Survey of Cryogenic Cooling Techniques, Aerospace Corp. 1972 14 / 46 Vakuová fyzika 2 • kryokondenzace (většina plynů) • kryosorpce (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 Vakuová fyzika 2 15 / 46 11_ nF.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) 16 / 46 Vakuová fyzika 2 LHC 13_ 13 http://lhc.web.cern.ch/lhc/ Vakuová fyzika 2 18 / 46 Vakuová fyzika 2 19 / 46 Fyzika nízkých teplot • 1876 zkapalnění vzduchu • 1908 zkapalnění He Literatura: • internet • J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Vakuová fyzika 2 20 / 46 Tab. 4.3. Inverzní teploty 7j Jouleova-Thomsonova jevu pro kryogenní plyny Plvn 0, Ar N2 Ne D H2 4He 3He T, (K) 770 725 620 250 215 204 46 39 teplota, kdy se plyn chová jako ideální plyn J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 21 / 46 Vakuová fyzika 2 Zkapalňovač LN2 16 16J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Pra ha,□19823' < 1 ► 1 -o«.o Vakuová fyzika 2 Obr. 15. Schémata tři systémů využívaných pro zkapalňování He: a) Zkapalnovaí s předchlazením He v lázni LN2 a LH2, b) zkapalňovač s předchlazenim He lázni LNj a s jedním expandérem, c) zkapalňovač pracující bez předchlazeni - využívajid dvou expandérů (K kompresor. V, až ľ, protiproude tepelné výměníky, E expandéry, Z zásobník LHe, J-T Jouleův-Thomsonův ventil) 17 17 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 ■O o. vakuová fyzika 2 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 • ... Vakuová fyzika 2 24 / 46 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 Vakuová fyzika 2 25 / 46 Obr. 53. Realizace trojného bodu vody (273,16 K) B - odplyněná, redestilovaná voda, F - voda a tající led, C - led, D - vodní pára, po několika hodinách, v části E teplota trojného bodu 273.16 K ± 0.2 mK 18 18J. Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Pra ha,□19823' < 1 ► 1 -o«.o Vakuová fyzika 2 26 / 46 Měření nízkých teplot Obr. 36. Jednoduchý Šimonův plynový teploměr 19 3J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,nl982s Vakuová fyzika 2 plyn He (ideální plyn) referenční tlak a teplota 7"n , po Po za předpokladu V2 = 0 rozsah měřených teplot 1-300 K Vakuová fyzika 2 2? um 2,0 1,2 0/8 o? -V KA207 ..... - - KF 506 - ní- 5oo ^ - O 20 HO SO tOO 200 300 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 50uA(diody)al50uA (tranzistor) v propustném směru [124] 20 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Vakuová fyzika 2 Tepelná izolace Dewarovy nádoby Super izolace Pěnová izolace Obr. 67. Jednoduchá Dewarova nádoba pro přechovávání LN2 21_ 21J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,< i ► i -oo.o 31 / 46 Vakuová fyzika 2 22 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 1 -oa,o Vakuová fyzika 2 32 / 46 Aplikace fyziky nízkých teplot • Vakuová fyzika • Vědecké přístroje • Biologie a medicína • Supravodiče • Raketová technika • Doprava • Ostatní aplikace Vakuová fyzika 2 Vědecké přístroje • chlazení detektorů CCD pro OES • chlazení detektorů pro infračervenou spektrometrii • chlazení výkonových laserů - HILASE - 150 K - 30 m/s • supravodivé magnety • kryostaty Vakuová fyzika 2 34 / 46 Herschel Space Observatory 23 • start 14.5.2009, raketou Ariane 5 • váha 3.3 t, umístění L2, • 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 o ► 35 / 46 Vakuová fyzika 2 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 Vakuová fyzika 2 36 / 46 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(9K) - 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 4 http://www.su perconductors.org/ Vakuová fyzika 2 http://cs.wikipedia.Org/wiki/Soubor:CERN-cables-pl030764.j pg 38 / 46 Vakuová fyzika 2 Raketová technika okysličovadlo - L02, 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, ... 26 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Nl%2BSaturn5.jpg< □ ► *a * < 1 ► 1 -00.0 39 / 46 Vakuová fyzika 2 Doprava • MAGLEV - první patent 1905 • 2015 rychlostní rekord 603 km/h • délka tras - Japonsko 9 km, Čína 30 km, Jižní Korea 1 km • 5 tras ve výstavbě • Vactrain • první zmínky 1910 - R.Goddard • Swissmetro - projekt zastaven • Transatlantic tunnel • Hyperlloop- max. 1300 km/h, 100 Pa, vzduchový polštář, 35 min - 570 km, projekt 2012 nepoužívá nízké teploty Vakuová fyzika 2 40 / 46 MAGLEV Vakuová fyzika 2 41 / 46 • doprava zemního plynu LNG, teplota -160 °C = 113 K (CH4), počet zkapalňovacích stanic - 35 Evropa - 25 prístavu pro příjem LNG, typická délka cesty tankeru 20 dnů - odpar asi 2 - 6 % • letadla - bezpilotní Boeing Phantom Eye Vakuová fyzika 2 42 / 46 Ostatní aplikace • skladování potravin • při záplavách - záchrana knih a dokumentů • detektory magnetického pole - SQUID • kvantové počítače - supravodiče • teleportace - Boseho-Einsteinův kondenzát - Rb, 170 nK • získávání vody • akumulace energie velká spotřeba plynu - LN2, LAr Vakuová fyzika 2 43 / 46 SQUID en.wikipedia.org □ ► < & ► < i Získávání vody ze vzduchu Princip - kondenzace Zařízení firmy Aqua Sciencis - vírová trubice, na výstupu teplota až -46 °C 4500 litrů denně 29 http://www. osel .cz/index.php?clanek=2499 45 / 46 Vakuová fyzika 2 Vojenské aplikace • chlazení infra detektorů • rakety - LO2 • AIP pohon pro ponorky - palivové články - Type 212, 214,.. • magnetometry SQUID • kvantové počítače Vakuová fyzika 2 46 / 46