ční 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 nevy párované getry (NEG) 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 vypařovaní kapalněn/ 1J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, PraJna 1981 Vakuová fyzika 2 4/46 Tab. 4.10. Body varu a tání některých plynů a par a kapalného vzduchu (při atmosférickém tlaku) He H2 Ne N2 CO Ar o2 CH4 Kr NH3 Xe co2 H20 Hg kapalný vzduch2) ihned po zkapalnění (22 % 02, 78 % N2) po odpaření dusíku 100 % o2 4,2 20,4 27.2 77.3 81,6 87,3 90,2 11,8 121.0 139,7 165.1 194J1) 373,1 630 -80 90,2 -269,9 -252,8 - 245,9 -195,8 -191,5 -185,9 -183 -161,4 -152,1 - 33,4 -108 - 78,5 100 357 -193 -183 1,2 14,2 24,2 63,2 66,2 83,9 54,2 89.1 116,2 196.1 161.2 273,2 234,2 -60 54.2 ■272 -259 ■249 -210 -207 189 219 -184 -157 - 77 ■112 0 38>9 213 219 2 2J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 2 = koef.ulpění pro dusík s různou teplotou 31 Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 1 -OQ.O 6 / 46 Vakuová fyzika 2 4J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 I I-1-1-1-1—1_I I I 1 I I I I -270 -265 -250 -2W~23d-210\-fflW) -JW-5Q0 100 (X) -220 -200 5J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha,oI982gp Vakuová fyzika 2 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 15000 10000 5 000 O N, T Ar 10'9 10' 10' 10 P (Po) Obr. 4.89. Čerpací charakteristiky kryogenni vývěvy s plochou chlazené stěny 2 000 cma pH teplotě 15 K pro dusík a argon 7 Vakuová fyzika 2 10 / 46 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 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,... □ {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 10 10 Survey of Cryogenic Cooling Techniques, Aerospace Corp. 1972 Vakuová fyzika 2 14 / 46 • 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 e« 1 li íi F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) Vakuová fyzika 2 16 / 46 LHC Overall view of the LHC experiments. 12 12 http: //Ihc.web.cern.ch/lhc/ Vakuová fyzika 2 □ <3 = LHC http: //I he. web.cern.ch/l he/ Vakuová fyzika 2 18/46 LHC Pumping slot shield Pumping slnts Cooling tube "Saw teeth" Copper laver Longitunal weld Beam screen tube Sliding ring průměr asi 45 mm, 1 mm nerez ocel + Ibfim Cu, 5-20 K, 14 14 http: //Ihc.web.cern.ch/lhc/ □ t3 - 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 Tab. 4.3. Inverzní teploty T{ Jouleova-Thomsonova jevu pro kryogenní plyny Plvn i 1 O J Ar N2 Ne D H2 4He 3He 7j (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 Vakuová fyzika 2 21 / 46 Zkapalňovač LN2 16_ 16J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, Vakuová fyzika 2 22 / 46 Obr. 15. Schémata tří systémů využívaných pro zkapalňování He: a) Zkapalftovač s předchlazením He v lázni LN2 a LH2, b) zkapalňovač s předchlazením He lázni LN, a s jedním expandérem, c) zkapalňovač pracující bez předchlazení - využívající dvou expandérô (K kompresor, Vx až Vs protiproude tepelné výméníky, E expandéry, Z zásobník LHe, J-T Jouleův-Thomsonův ventil) 17 17J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 = 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, Praha, 1982g> ► < l ► < l ► l Vakuová fyzika 2 26 / 46 Měření nízkých teplot í Obr. 36. Jednoduchý Šimonův plynový teploměr 19_ 19J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982g Vakuová fyzika 2 27 / 46 plyn He (ideální plyn) referenční tlak a teplota Tn , po t=t0