Aplikace fyziky nízkých teplot • Vakuová fyzika • Vědecké přístroje • Biologie a medicína • Supravodiče • Raketová technika • Doprava • Ostatní aplikace Fyzika nízkých teplot 1 / 38 Vakuová fyzika i__ 1^. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198Š i > < s ► a -00,0 2/38 Fyzika nízkých teplot Sorpční vývěvy • kryogenní • zeolitové • sublimační 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 Fyzika nízkých teplot 3/38 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 (difuzní, turbomolekularní,...) Fyzika nízkých teplot 4/38 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 Fyzika nízkych teplot Obr. 4.89. Čerpací charakteristiky kryogennl vývěvy s plochou chlazené stěny 2 000 cm1 při teplotě 15 K pro dusík a argon ptPa) o" 1 J 10 100 1000 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.O Fyzika nízkých teplot ke zkopalnovoci 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 6J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 -0 0.O Fyzika nízkych teplot 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 7 7Survey of Cryogenic Cooling Techniques, Aerospace Corp. 1972 11 / 38 Fyzika nízkých teplot • kryokondenzace (většina plynů) • kryosorpce (Ne,H2,He) • kryotrapping efekt (porézní vrstva kondenzovaného plynu) • může pracovat od atmosférického tlaku • chlazení typicky He • 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 Fyzika nízkých teplot 12 / 38 LHC LHC 9_ 9 http://lhc.web.cern.ch/lhc/ Fyzika nízkých teplot 4 (5? ► < -=_ ► 14 / 38 Fyzika nízkých teplot 15 / 38 Zeolitové vývěvy Obr. 4.108. Zeolitová vývčva / - zeo!it;2 - přepážky; 3 - přetlakový ventil; 4 — Dewarova nádoba; 5 — síťka; 6 — potrubí k rotační vývěvě; 7 — potrubí k vakuovému systému; TiO + H2 + Ti — Ti + H2 i—> TiH2 TiO + TiH2 Fyzika nízkých teplot 19 / 38 vstup Obr. 4.122. Velká kryogenní sublimační vývěva s čerpací rychlosti SH, = 1500001s_1 (podle Prévota a Sledziewského. 1964) / — plást; 2 — chlazení kapalným dusíkem; 3 — stínění pro tepelnou izolaci; 4 — zdroj par titanu; 5 — přívod proudu; 6 — otvor pro plníní dusíkem 13 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 00.0 Fyzika nízkých teplot • dominantní proces je chemisorpce • dobře čerpá H2, H20, N2, CO, C02, 02 • nečerpá inertní plyny např. Ne,Ar,... • opakované vytváření čistého povrchu kovu, pracuje od ~ 10~4Pa • získávání vysokého a extrémně vysokého vakua • zvětšení účinnosti snížením teploty pohlcujícího povrchu Fyzika nízkých teplot 22 / 38 Vědecké přístroje • chlazení detektorů CCD pro OES • chlazení detektorů pro infračervenou spektrometrii • chlazení výkonových laserů - HILASE - 150 K - 30 m/s • supravodivé magnety • kryostaty Fyzika nízkých teplot 23 / 38 Herschel Space Observatory 14 • 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 <9 ► 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 Fyzika nízkých teplot 25 / 38 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 (9 K) - 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/ Fyzika nízkých teplot 26 / 38 16 16http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:CERN-cables-pl030764.jpg ■< i ► i ono Fyzika nízkych teplot 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, ... 17 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Nl%2BSaturn5.jpg< □ ► <9> < i ► i -OQ.O 28 / 38 Fyzika nízkých teplot 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 • StarTram • Hyperlloop- max. 1300 km/h, 100 Pa, vzduchový polštář, 35 min - 570 km, projekt 2012 nepoužívá nízké teploty Fyzika nízkých teplot 29 / 38 MAGLEV Fyzika nízkých teplot 30 / 38 • doprava zemního plynu LNG, teplota -160 °C = 113 K (CH4), počet zkapalňovacích stanic - 42 Evropa - 25 prístavu pro příjem, typická délka cesty tankeru 20 dnů - odpar asi 2 - 6 % • letadla - bezpilotní Boeing Phantom Eye - LH2 Fyzika nízkých teplot 31 / 38 Ostatní aplikace • skladování potravin • při záplavách - záchrana knih a dokumentů • čištění povrchů suchým ledem CO2; -78 °C • detektory magnetického pole - SQUID • výroba Braggovských mřížek - LH2, optické senzory, kompenzátory chromatické disperze • kvantové počítače - supravodiče • teleportace - Boseho-Einsteinův kondenzát - Rb, 170 nK • získávání vody • akumulace energie Fyzika nízkých teplot 4 (5 ► < -=_ ► < ^ ► 32 / 38 SQUID en.wikipedia.org Fyzika nízkých teplot 33 / 38 Braggovské mřížky Optical Fiber __i u_ «, 1 r ......... li Fiber Core Core Refractive Index _n_n_n_n_n_n_n_n_n_ Spectral Response A OťUL Input Transmitted ^ Reflected x Kvantové počítače • qubity • 2011 - 128 qubitů • 2013 - 512 qubitů supravodiče • NSA - lámaní šifer D-Wave - 128 qubit 21 en.wikipedia.org Fyzika nízkych teplot Kvantová teleportace • Boseho-Einsteinův kondenzát - Rb 170 nK, 2001 - Nobelova cena • kvantové efekty na makroskopické úrovni • atomy, fotony, ... • změna kvantového stavu • kvantová kryptografie, kvantové počítače Fyzika nízkých teplot 36 / 38 Získávání vody ze vzduchu Princip - kondenzace Zařízení firmy Aqua Sciencis - vírová trubice, na výstupu teplota až -46 °C 4500 litrů denně 22 http://www. osel .cz/index.php?clanek=2499 37 / 38 Fyzika nízkých teplot Vojenské aplikace • chlazení infra detektorů • rakety - LO2 • AIP pohon pro ponorky - palivové články - Type 212,214,.. • magnetometry SQUID • kvantové počítače Fyzika nízkých teplot 38 / 38