Niskotemperaturne tehnike kriogenika

1. Niskotemperaturne tehnikekriogenika

2. Uvod • Za sadašnji razvoj fizike i moderne tehnologije eksperimentiranje i rad u području niskih temperatura oboje je važno. To su zanimljivi fenomeni povezani sa supravodljivošću. • Njihova je uloga bitna i u istraživanjima i u primjeni. Na niskim temperaturama kvantno mehaničke pojave prvi put su se manifestirale na makroskopskoj razini. Ali, niskim temperaturama danas se koristimo čak i pri polariziranju nuklearnih meta Niske temperature neophodne su i za funkcioniranje snažnih supervodičkih magneta, ključnih dijelova nuklearnih fuzijskih reaktora i akceleratora koji se upravo razvijaju. U tehničke primjene pripadaju kriogenske tehnike za postizanje vakuuma. Sve to samo je tek dio raznolikih primjena niskih temperatura u znanstvenim istraživanjima i u tehnologiji.

3. Postizanje niskih temperatura • Postizanje niskih temperatura i njihovo održavanje povezano je s mogućnošću ukapljivanja plinova. • Razmotrit ćemo ovdje prije svega ukapljivače za plinove kojima se postižu niske temperature. Ukapljivač ima ove bitne komponente: kompresor, uređaj za hlađenje i izmjenjivač topline. Kompresor je recipročan termičkom motoru. Toplinu nastalu kompresijom odvodimo hlađenjem, npr. vodenim. Kompresor opskrbljuje uređaj plinom povišenog tlaka. Mehanički rad ovdje služi da iz sistema uklonimo toplinu, tj. Da sistem hladimo. Jedna od mogućnosti za hlađenje jest adijabatska ekspanzija uz obavljanje rada.

4. Nekoliko karakterističnih vrelišta plinova pri normalnom tlaku

5. Adijabatska ekspanzija Podsjetimo se zakonitosti za adijabatsku ekspanziju: gdje je p tlak, V volumen, a indeksi i,f označuju početno i konačno stanje plina adijabatske konstante g. Koristimo prikladan oblik iste jednadžbe da bismo pomoću opće jednadžbe stanja plina pV=nRT, mogli obaviti odgovarajuću supstituciju, pa slijedi da je konačna temperatura pri nekoj adijabatskoj promjeni Ako je konačna temperatura Tf dovoljno niska, plin se ukapljuje. Pritom, naravno, plin kojim hladimo nije nužno onaj, kojeg ukapljujemo. To je, dakako, pojednostavljen pristup, jer jednadžbe idealnog plina ne vrijede u svim uvjetima.

6. Protok plina kroz porozni materijal • Nezgoda je adijabatske metode hlađenja i ukapljivanja što se za rad pri ekstremno niskim temperaturama zahtijeva da mehanički pokretni dijelovi još uvijek posjeduju izražena svojstva dobrog zaptivanja. U ekstremnim uvjetima ti dijelovi pucaju kad god se, na primjer, u stublini formira led ili druge krutine. • Druga mogućnost hlađenja (bez vanjskog rada) jest protok plina kroz porozni materijal. Za tu izoentalpičnuekspanziju pri protoku vrijedi: • U izrazu (8.4) temperatura T je između početne i konačne vrijednosti, a Cp je toplinski kapacitet uz stalni tlak.

7. Izoentalpična ekspanzija • Za idealni plin izraz u uglatoj zagradi iščezava. Na realni plin će se pri takvom protoku i u određenim obično niskim temperaturnim područjima hladili. Takozvani Joule-Thompsonov efekt daje mnogo manje učinke hlađenja od onih što se postiže adijabatskim strojem. • No u Joule-Thompsonovu ventilu nema pokretnih dijelova, pa se istoimeni efekt često primjenjuje u komercijalnim uređajima za ukapljivanje. • Na slici 8.1 je pojednostavljena shema mogućeg ukapljivača za helij u kojem tekući vodik služi da bi se helij u početku ohladio na temperaturu pri kojoj funkcionira Joule-Thompsonov ventil.

9. Joule-Thompsonkoeficijent iinverzijska temperatura • Neke vrijednosti: •      He         40 K •      N2         621 K •      O2         764 K •      Ne         231 K • N2i O2se hlade kad ekspandiraju na sobnu temperaturu. • He i Ne se zagrijavaju kad ekspandiraju na sobnoj temperaturi

10. Joule-Thompsonov tip ukapljivača Slika 8.1. Joule-Thompsonov tip ukapljivača za helij. Komprimirani helij u početnoj fazi struji lijevim spremnikom i prolazom kroz tekući vodik toliko se ohladi da prijelazom u drugi spremnik dovoljno ohladi Joule-Thompsonov ventil. Zatim se helij spušta desnom linijom i prolaskom kroz Joule-Thompsonov ventil toliko se ohladi da počne ukapljivanje.

11. Joule-Thompsonov efekt • Nedostaci: • Daje mnogo manje učinke od adijabatske metode • Prednosti: • Nema pokretnih dijelova • Funkcionira na veoma niskim temperaturama

12. Joule-Thompsonov efekt • Kompresorska linija prolazom kroz tekući vodik osigurava da izotop 4He prije ulaska u Joule-Thompsonov ventil bude ohlađen u području temperatura za koje prisilno protjecanje kroz ventil daje efekt hlađenja. Stoga će se 4He, koji drugom linijom dolazi u ventil, ohladiti i ukapljivati u dnu desne posuđe. Izmjenjivačtopline dio je desne posude iznad ventila. U tom području hladni helij iz lijevog cilindra hladi ulazni helij do temperatura pri kojima se ostvaruje Joule Thompsonov efekt.

13. Joule-Thompsonov efekt • Područje niskih temperatura ne sastoji se samo od izoliranih točaka vrelišta plinova koja očito drže stalnu nisku temperaturu. Elementarna fizika pdsjeća nas na sniženje vrelišta sniženjem tlaka. To znači: ako plin držimo ukapljen pri tlaku manjem od atmosferskoga, temperatura tekućine bit će niža od njezina vrelišta pri normalnom tlaku. Dakako, takvo hlađenje odsisavanjem ne može se provoditi do apsolutne nule. Potrebno je za jednake korake u temperaturi odsisavali sve veće količine tekućine. Tehnikom odsisavanja postiže se sa 4He temperatura do 1,2 K a sa 3He temperatura od čak 0,3 K.

14. Dilucijski hladnjak • Dilucijski hladnjak. Prema milikelvinskom području upućuje nas nova tehnika hlađenja koja se koristi osebujnim svojstvima mješavine 3He i 4He na niskoj temperaturi (slika 8.2.b). Na temperaturi nižoj od 0,8 K tekuća mješavina tih dvaju izotopa separira se u dvije faze. Gornja faza praktički je čisti 3He, a u donjoj je fazi glavna komponenta izotop 4He. Princip hlađenja istaknut je na slici 8.2.b i uspoređen s uobičajenom tehnikom isisavanja (slika 8.2.a). Prije bismo crpili 3He i snižavanjem vrelišta snižavali temperaturu tekućine (slika 8.2.a).

15. Dilucijski hladnjak Slika 8.2. Dilucijski hladnjak: a) Klasični način hlađenja otpumpavanjem. Atomi 3He prolaskom kroz površinu tekućine i prelaskom u plinsku fazu hlade tekućinu. b) U mješavini 3He/ 4He e s otpumpavanjem helija-3 kroz mješavinu kao "teški vakuum" služi helij—4. Kada helij—3 prolazi kroz površinu odozgo nadolje, hladi se gornja komponenta.

16. Dilucijski hladnjak • Na slici 8.2.b idejno je prikazana nova metoda u kojoj je uzrok hlađenja otpumpavanje 3He. Znači, prijelaz iz čiste faze u mješovitu, hladi čistu fazu 3He. No zanimljivom igrom prirode postotak 3He u donjoj fazi ostaje isti, praktički neovisno o temperaturi, pa ćemo za jednake korake u sniženju temperature trebati crpiti jednake količine molekula 3He. U tome je bitna razlika od prijašnje tehnike otpumpavanja. Uloga izotopa 4He u donjoj je fazi dvostruka. On za izotop 3He djeluje kao "teški vakuum", a istovremeno zbog stalnog udjela 3He faze u smjesi, eliminira potrebu za pojačanim pumpanjem kako se temperatura snižava. Tlak para pri normalnom odsisavanju 3He snižava se eksponencijalno s temperaturom, a pri ovom postupku zapravo ostaje konstantan.

17. Ponovimo: Dilucijskihladnjak • Milikelvinsko područje • Koristimo smjesu 3HE –4He • Ova se smjesa separira na dvije faze pri 0.8 K • Prijelaz iz čiste faze u mješovitu hladi čistu fazu plina • Udio 3He u miješanoj fazi je praktično konstantan i neovisan o temperaturi

18. http://en.wikipedia.org/wiki/Dilution_refrigerator http://en.wikipedia.org/wiki/Adiabatic_demagnetization

19. Glavni procesi transporta topline • Kriogenski ili niskotemperaturni uređaji osiguravaju postizanje niskih temperatura u određenom dijelu aparature. Da bismo se što bolje koristili takvim uređajima, trebamo taj dio sistema izolirati od onog dijela u kojem je temperatura bitno viša. Toplina se prenosi vođenjem, radijacijom i konvekcijom. Vođenje sprečavamo stavljanjem tankih (mehanički izdržljivih) slojeva toplinskog izolatora (na primjer teflona) na mjesta na kojima moramo uspostaviti dodir okoline i niskotemperaturnog sistema. Radijacija je još jedna opasnost kojom toplina napada naš hladni sistem. Put radijaciji presijecamo visokoreflektivnim površinama, npr. inoksom ili superizolacijom. Konvekcija označava transport topline fluidom. U zrakopraznom je prostoru očito eliminirana.

20. Glavni procesi transporta topline • Vođenje – toplinski izolatori (teflon) • Radijacija – visoko reflektivne površine (inoks) • Konvekcija – u vakuumu zanemarivo

21. Uskladištenje i transport ukapljevine • Za uskladištenje često se koristimo velikim Dewarovim posudama (slika 8.3) Dovođenje topline sprečava se vakuumskom izolacijom i visokom reflektivnošću površina. Nekada se to radilo i oblogom tekućeg dušika. Transport kapljevina među rezervoarima obavlja se linijama dvostrukih slijenki, između kojih je vakuum (slika 8.4). Mehaničku stabilnost unutrašnje cijevi prema vanjskoj u transfer liniji postiže se krilcima od teflona.

22. Uskladištenje 4He Slika 8.3. Uskladištenje 4He. Bačva s Dewarovim stjenkama. Dvostruko stjenke odvoditi tu vakuumom i imaju visok sjaj.

23. Transfer-linija za tekući helij Slika 8.4. Transfer-linija za tekući helij. Cijev za pretakanje helija ponovno ima dvostruke stjenke s vakuumom među njima. Mehanička stabilnost pojačava se teflonskim krilcima položenim poprečno u cijevi.

24. Mjerenje temperature • Dakako, ne postoji jedan mjerni instrument pogodan za sva područja temperatura. U temperaturnom području od 90 K do 4 K mogu se koristiti plinski termometri, slika 8.5. • Idealni plin dovodimo uz konstantan volumen u dodir s objektom kojemu želimo izmjeriti temperaturu. Iz p=p(T) možemo odrediti temperaturu. Dovoljna je kalibracija mjerenjem dvije temperature. U nižem temperaturnom području možemo se za mjerenje koristiti ovisnošću otpora o temperaturi. Na primjer, obični (radio) otpornici od ugljika mijenjaju otpor za više redova veličine u temperaturnom intervalu od 0,1 do 1 K.

25. Jednostavnije mjerenje niskih temperatura Slika 8.5. Jednostavnije mjerenje niskih temperatura. U posudi kontroliranog volumena je 4He. Prati se tlak plina i tako određuje temperatura.

26. Mjerenje niskih temperatura • Bourdonova cijev p=p(T) Manometar V=konst. 4He

27. Ukapljivač za helij Ukapljivač za helij (Institut za fiziku Sveučilišta, Zagreb) Helij ukapljuje aparatura na desnoj strani. Upotrebljava se Joule-Thompsonov ventil. Transfer-linija izlazi okomito iz aparature za ukapljivanje i prenosi ukapljeni helij. Veliki spremnik ukapljenog helija dominira lijevom stranom slike.

28. Literatura • G.K. White, Experimental Techniques in Low Temperature Physics, Clarendon Press, 1979. • D.S. Belts, Refrigeration and Thermometry below One Kelvin, Sussex University Press, 1976.