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 / 47 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 2 4/47 Tab. 4.10. Body varu a tání některých plynů a par a kapalného vzduchu (při atmosférickém tlaku) Hg kapalný vzduch2) ihned po zkapalnění (22 % 02, 78 % N2) po odpaření dusíku 100% o2 J. Groszkowski: Technika vyso Vakuová fyzika 2 5/47 1,0 0,8 0,6 Ofr Q2 - j*300K -UOQK íS 20 25 TK (K) koef.ulpění pro dusík s různou teplotou J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 □ g? - = Vakuová fyzika 2 Vakuová fyzika 2 7/47 i I-1-1-1-l—l_1—1—I_I_I III» -270 -265 -250 -2W~23á-m-W'W-10Q-S00 fOO (X) -220-200 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 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 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 vývěvy (//) 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 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 urvey of Cryogenic Cooling Techniques, Aerospace Corp. 1972 • 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 / 47 F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003) Vakuová fyzika 2 16 / 47 LHC Overall view of the LHC experiments. http://Ihc.web.cern.ch/lhc/ Vakuová fyzika 2 17 / 47 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/ Vakuová fyzika 2 18 / 47 LHC průměr asi 45 mm, 1 mm nerez ocel + 75 /im Cu, 5-20 K http://Ihc.web.cern.ch/lhc/ ITER Pump casing <- L s 3.3 m http: //www.iter.org Vakuová fyzika 2 20 / 47 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 7j Jouleova-Thomsonova jevu pro kryogenní plyny Plvn i í o2 Ar N2 Ne D H2 4He 3He 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 □ S 22 / 47 Zkapalňovač LN- L J K J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 □ g? - = Vakuová fyzika 2 23 / 47 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 expandérô (K kompresor, V, až Vs protiproude tepelné výměníky, £ expandéry, Z zásobník LHe, J-T Jouleův-Thomsonův ventil) k, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 4 □ ► < <3 Měření nízkých teplot Definice: Pro každý systém existuje jistá intenzivní stavová veličina - teplota, maj 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 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 26 / 47 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 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Vakuová fyzika 2 27 / 47 Měření nízkých teplot í Obr. 36. Jednoduchý Šimonův plynový teploměr J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Vakuová fyzika 2 28 / 47 plyn He (ideální plyn) referenční tlak a teplota Tq , po T = T0 p_ Po za předpokladu V2 = 0 rozsah měřených teplot 1 - 300 K Vakuová fyzika 2 29 / 47 O 20 W 60 f 00 300 , % HOO 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] J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Vakuová fyzika 2 = Tepelná izolace Dewarovy nádoby Super izolace Pěnová izolace Vakuová fyzika 2 31 / 47 Obr. 67. Jednoduchá Dewarova nádoba pro přechovávání LN2 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Vakuová fyzika 2 32 / 47 J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 Vakuová fyzika 2 33 / 47 Aplikace fyziky nízkých teplot • Vakuová fyzika • Vědecké přístroje • Biologie a medicína • Supravodiče • Raketová technika • Doprava • Ostatní aplikace □ s Vědecké přístroje chlazení detektorů CCD pro OES chlazení detektorů pro infračervenou spektrometrii chlazení výkonových laserů - HILASE - 150 K, 30 m/ supravodivé magnety kryostaty □ t3 Herschel Space Observatory //en.wikipedia.org/wiki/Hersc • start 14.5.2009, raketou Ariane • váha 3,3 t, umístění L2, • primární zrcadlo má průměr 3,5 • 2300 I - LHe, 1,4K • předpokládaná životnost 3 roky • 29.4.2013 - mise ukončena el_Space_Observatory 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 37 / 47 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 http://www. superconductors, org/ Vakuová fyzika 2 38 / 47 >>■■■ http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor: CERN-cables-pl030764.jpg Vakuová fyzika 2 39 / 47 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 Doprava MAGLEV - první patent 1905 • 2015 rychlostní rekord 603 km/h • délka tras - Japonsko 9 km; Čína 30,5 km; 18,5 km; Jižní Korea 1 km • 4 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 41 / 47 MAGLEV http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor: J R-Maglev-MLX01-2.jpg Vakuová fyzika 2 42 / 47 • doprava zemního plynu LNG, teplota -160 °C = 113 K (CH4), počet zkapalňovacích stanic - 42 Evropa - 25 přístavů pro příjem LNG, 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 • LNG - zemní plyn kapalný • LPG - propan-butan • CNG - zemní plyn, stlačený 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 44 / 47 SQUID Josephson jev - supravodic-izolator-supravodic magnetometr 5 x 10"18 T, (mag. pole Zeme 25-65 /iT) ikipedia.org 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 - Type 212, 214, magnetometry SQUID kvantové počítače Vakuová fyzika 2 47 / 47