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)
Kryogenní (kryosorpční) vývěvy
Princip: adsorbovaní a kondenzace plynů a par kryogenní vývěva - teplota < 30 K kapalný dusík (77K) - vymrazovačka
Kryogenní vývěvy se zpravidla používají na získání ultravakua, uvádí se do činnosti až po získání nízkého vakua jiným typem vývěv(difuzní, turbomolekularní,...)
Tab. 4.9. Hodnoty trojného bodu
Plyn (pára)	Tla (K)	Pni (P»)	Tb(K)	
He	ia	3000	5,3	228 000
H2	14,0	7 100	33,3	1 290 000
o2	54,4	150	154,4	5 010 000
N2	63,2	12 500	126,1	3 380 000
Ne	24,5	44 500	34,5	2 610 000
Ar	83,9	68 700	150,8	4 840 000
vzduch			132,6	3 630 000
Tab. 4.10. Body varu a tání nékterých plynů a par a kapalného vzduchu
(při atmosférickém tlaku)
Plyn (pára)	Bod varu		Bod táni	
	(K)	(°c)	(K)	(°C)
He	4,2	-269,9	1,2	-272
	20,4	-252,8	14,2	-259
Ne	27,2	-245,9	24,2	-249
N3	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
CH„	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	373,1	100	273,2	0
Hg	630	357	234,2	- 38,9
kapalný vzduch2)				
ihned po zkapalnění	-80	--193	-60	~ —213
(22%02,78%N2)				
po odpaření dusíku	90,2	-183	54,2	-219
100 %o2				
Tab. 4.11. Tlak některých plynů čerpaných kryogenními vývevami nebo vymrazovačkami
			Tlak plynu (Pa	čerpaného \	ývěvou chlazenou		
Čerpaný	Bod varu		kapalným				tuhým
plyn	(K)						
		He	H2	Ne		N2	CO,
		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	> 101000
Ne	27.2	-	60 000	101000		> 101 000	> 101000
N2	77,3	-	3   . 10"9	10"	4	101000	> 101 000
CO	81,6	-	5 .10""	10	5	68 000	> 101 000
Ar	87,3	-	7 .10""	10"	5	31000	> 101 000
o2	90,2	-	1,3.10""	io-	6	24 000	> 101 000
CH4	112	-	- 1	10	8	103	>101 000
Kr	121	-	-	-		133	> 101 000
NH3	140	-	-	-		103	> 101 000
Xe	165	-	-	-		10'1	>101 000
co2	195	-	-	-		10"6	101000
H20	373	-	-	-		-	< 10"'
Hg	630	-	-	-		-	< 10"
□ &
Obr. 4.88. Závislost měrné čerpací rychlosti S( na teplotě:
a) na povrchu chlazeném kapalným H2 při různých tlacích dusiku (" = I),
b) na povrchu chlazeném kapalným He při různých tlacích H2 (pro y — l)
Obr. 4.89. Čerpací charakteristiky kryogennt vývěvy s plochou chlazené stěny 2 000 cmJ při teplotě 15 K pro dusík a argon
PÍPa)
v'
7
								
								
								
								
								
								
				v				
			\	\	<			
			\					
				\				
					\			
								
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 (II)
Obr. 4.95. Heliem chlazená kryogenní výveva se stíněním chlazeným dusíkem / — 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
í    -0 0.
ke zkapalřlovaa heih
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
Moderní kryogenní vývevy
• plynné He
• uzavřený okruh He
• nejnižší teploty 10 -20 K
• není potřeba LN2
• mezní tlak < 10~n mbar
4 □ ► 4 s ► 4
• 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
Tab. 4.3. Inverzní teploty Tt Jouleova-Thomsonova jevu
pro kryogenní plyny
Plvn	o,	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
4 □ ►   <(5 ► 4
a) b) c)
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 expandérů (K kompresor, Vx až Vs protiproude tepelné výměníky, E expandéry,
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
• ...
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
F6450        22 / 30
Obr. 53. Realizace trojného bodu vody (273,16 K)
B - odplyněná, 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 < □ ► <9 ►
Obr. 36. Jednoduchý Šimonův plynový teploměr
plyn He (ideální plyn) referenční tlak a teplota 7~o , po
T=T^ Po
za předpokladu V2 = 0 rozsah měřených teplot 1-300 K
2?
um
2,0 1,2
¥
			KAZÔ7	-.....--------			
							
-							
-				KF 506			
-				DT- SOO^^			
-							
O 20 W i
100
zoo
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]
6450        26 / 30
Tepelná izolace
• Dewarovy nádoby
• super izolace
• pěnová izolace
4 □ ►   4 S ► 4
He(kopolne)
Obr. 4.97. Dewarovy nádoby:
a) kovová (jednoduchá) nádoba na kapalný dusík; / - vnitřní stena: J - vnejši slina:
i - evakuovaný meziprostor: 4 - aktivní uhlí (připevněno síťkou); 5 - zátka; 6 - pružný závěs: 7 — plášť; A1 — rukojeť
b) dvojila nádoba na kapalné helium; / - vnitřní nádoba (s kapalným heliem); 2 - vnejll nádoba (s kapalným dusíkem); 3 - plášť;'/ - heliový manometr; J - pojistný ventil helia
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