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 Typy vývěv • kryogenní • zeolitové • sublimační • iontové • vypařované getry • nevypařované getry (NEG) □ B> 2/30 Kryogenni (kry o sorpční) vývěvy Princip: adsorbovaní a kondenzace plynů a par kryogenni vývěva - teplota < 30 K kapalný dusík (77K) - vymrazovačka Kryogenni vývěvy se zpravidla používají na získání ultravakua, uvádí se do činnosti až po získání nízkého vakua jiným typem vývěv(difuzní, turbomolekularní,...) □ B> 3/30 p J, pevne skupenství j kapalina iôni J tuhnutí f j PkľP /vyparovaní r kapalněn! 1 trojný bod^r ___£j£*^ _ / j par O (plyn) j ^ondemacJ. TM T □ S1 4/30 Tab. 4.9. Hodnoty trojného bodu Plyn (pára) rm(K) Pni (Pa) ^r(K) Pk, (Pa) He 2,2 3000 5,3 228000 H2 14,0 7 100 33,3 1290000 o2 54,4 150 154,4 5 010000 N2 63,2 12 500 126,1 3 380000 Ne 24,5 44 500 34,5 2 610000 Ar 83,9 68 700 150,8 4 840000 vzduch 132,6 3 630 000 □ gi ► 4 .g ► < .g ► s 0 0.0 F6450 5/30 Tab. 4.10. Body varu a tání některých plynů a par a kapalného vzduchu (při atmosférickém tlaku) Bod varu Bod tání Plyn (pára) (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 _ H20 LI« 373,1 100 273,2 0 Hg kapalný vzduch2) 630 357 234,2 - 38,9 ihned po zkapalnění (22%02,78%N2) -80 -----193 ~60 -----213 po odpaření dusíku 100 %o2 90,2 -183 i 54,2 -219 10~3 10'u V5 10'6 V7 10 10'9 KT11 10 10' -Q. PhJ \ W5K p"y/ / 2& 2,5 P^ (kPa) 100 50 30 20 10 5 3 3J5 4 4£ 5 \ (K) 1 1 1,5 2 3 U 5 6 10 15 20 30 40 50 VO 150 200 300 tv» i------------------1----------1_______________i________________i_____ i , . i.......'*"' -270 -265 "&. -1____1__L -250 -2W-23d-m\-m-150 -100-300 100 (X) -220-200 ' ' □ s F6450 8/30 r 1,0 0,8 0,6 0,2 ^77K j*300K -took - .., X? 15 20 25 TK (K) koef.ulpění pro dusík □ s - 9/30 Tab. 4.11. T.ak některých plynů čerpaných kryogenním, yývěvami nebo vymrazovačkami Tlak plynu (Pa) čerpaného vývěvou chlazenou kapalným N2 77,3 K > 101 000 > 101 000 > 101 000 > 101 000 > 101 000 > 101 000 101000 > 101 000 68 000 > 101 000 31000 > 101 000 24 000 > 101 000 103 > 101 000 133 > 101 000 103 > 101 000 10"1 > 101 000 10~6 101000 - < 10 1 < ío- tuhým co2 195 K F6450 10 / 30 b) S.(ls'cm*) SO 40 30 20 V w \\ \ \ Y> \ \ \» V \a 5 rK(K) Obr. 4.88. Závislost měrné čerpací rychlosti S, na teplotě: a) na povrchu chlazeném kapalným H2 při různých tlacích dusíku (;• = 1), b) na povrchu chlazeném kapalným He při různých tlacích H2 (pro y = 1) na- il / 30 s n š') 15000 10000 5000 P (PO) Obr. 4.89. Čerpací charakteristiky kryogenni vývevy s plochou chlazené stěny 2 000 cmJ při teplotě 15 K pro dusík a argon □ g - = f •00,0 F6450 12 / 30 P (Pa) n-2 . lU TT V* rr* v \ s{ Vs N -J 1 r V6 L _ w woo t (min) Obr. 4.94. Pokles tlaku ve vakuovém systému při čerpáni difúzni vývevou (/) a čerpací soustavou skládající se z difúzni a kryogenní vývevy (//) Obr. 4.95. Heliem chlazená kryogenni vyvěva se stíněním chlazeným dusíkem 1 - zásobník kapalného helia; 2 - válec; 3 ~ válcová spojovací součást s velkou tepelnou vodivostí; 4 - zásobník kapalného ^u;5- příruby; 6 - detektor výšky hladiny helia; 7 - průchodka detektoru <0q,o 's Ab zkipalnovaa helia 8 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 e •o o. o Moderní kryogenní vývěvy • plynné He • uzavřený okruh He • nejnižší teploty 10 -20 K • není potřeba LN2 • mezní tlak < 10-11 mbar F6450 15 / 30 • kryokondenzace (většina plynů) • kryosorpbce (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 F6450 16 / 30 Fyzika nízkých teplot • 1876 zkapalnění vzduchu • 1908 zkapalnění He Literatura: • internet • J.Jelínek, Z. Málek: Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982 F6450 17 / 30 Tab. 4.3. Inverzní teploty 7J Jouleova-Thomsonova jevu pro kryogenní plyny Plvn * O3 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 F64S0 18 / 30 □ ť5 F6450 19 / 30 V ĎJ c) Obr. 15. Schémata tří systémů využívaných pro zkapalňováni 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 «panděru (K kompresor, V, až V5 protiproude tepelné výméníky, E expandéry, Z zasobmk LHe, J-T Jouleův-Thomsonův ventil) _________ F64S0 -O^O 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 • ... F6450 21 / 30 ITS90 Number Temperature T90K 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 02 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 F6450 22 / 30 Obr. 53. Realizace trojného bodu vody (273,16 K) B - odplyněna, redestilovaná voda, F - voda a tající led, C - led, D -vodní para, po několika hodinách, v časti E teplota trojného bodu 273.16 K ± 0.2 mK a a - -= z= F64S0 23 / 30 Obr. 36. Jednoduchý Šimonův plynový teploměr □ s 24 / 30 plyn He (ideální plyn) referenční tlak a teplota To , po Vo za předpokladu V2 = 0 rozsah měřených teplot 1-300 K F6450 25 / 30 2f U(V) -------! WW 2p V V K F 506 Üfi - DT- 500 ^ o? - O 20 W 60 100 200 300 T(K) tOO 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 50 uA (diody) a 150 jiA (tranzistor) v propustném směru [124] □ s 26 / 30 Tepelná izolace • Dewarovy nádoby • super izolace • pěnová izolace F6450 27 / 30 He(kapalni) a) N2 (kapalný) Obr. 4.97. Dewarovy nádoby: a) kovová (jednoduchá) nádoba „a kapalný dusík; / - vm,r„i mm: ; _ vn6iii sie„a. i; "ak™;,:í; r^z4 -ai"™ "h,i "*--»—>=> - *•■=• - **« Ä^ä^«: ™';:,:;v";:ľkT'ŕh*mU - ™íji( ' pwsi,4 Heliový manometre - pojistný ventil helia F6450 28 / 30 %-e Ik □ g F6450 29 / 30 Aplikace • vakuová technika • věda a výzkum - chlazení detektorů, základní výzkum,... • medicínské aplikace - kryosauna (-160°C, 3 min.) • transport zemního plynu (-162°C) • raketová technika (V2 -LO2 4910 kg, vyrobeno asi 5200 kusů; Saturn V, Soyuz, ...) • supravodiče • supravodivé magnety (ITER - 5.3 T) • Maglev ( 581 km/h) • detektory magnetického pole SKVID přenos el.energie • elektrické motory F6450 30 / 30