Transcript 08 Niskotemperaturne tehnike - kriogenika



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.


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.
Plin
Vrelište
N2
77K
H2
20K
4He
4.2K
3He
3.2K
Podsjetimo se zakonitosti za adijabatsku ekspanziju:
g
p f Vf  pV
i i
(8.1)
gdje je p tlak, V volumen, a indeksi i,f označuju početno i
konačno stanje plina adijabatske konstante g. Koristimo
prikladan oblik iste jednadžbe
g 1
g 1
p f Vf Vf
 pVV
i i i
(8.2)
da bismo pomoću opće jednadžbe stanja plina pV=nRT, mogli
obaviti odgovarajuću supstituciju, pa slijedi da je konačna
temperatura pri nekoj adijabatskoj promjeni
g 1
 Vi 
Tf  T  
(8.3)
V 
 f 
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.


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 izoentalpičnu
ekspanziju pri protoku vrijedi:
  V 
 pi  p f
T f  Ti  T 
 V 
  T  p
 C p

(8.4)
U izrazu (8.4) temperatura T je između početne i konačne
vrijednosti, a Cp je toplinski kapacitet uz stalni tlak.



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.

Neke vrijednosti:
◦
◦
◦
◦


He
N2
O2
Ne
40 K
621 K
764 K
231 K
 T 
JT   
 p  H
N2 i O2 se hlade kad ekspandiraju na sobnu
temperaturu.
He i Ne se zagrijavaju kad ekspandiraju na
sobnoj temperaturi
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 JouleThompsonov ventil. Zatim se helij spušta desnom linijom i prolaskom
kroz Joule-Thompsonov ventil toliko se ohladi da počne ukapljivanje.

Nedostaci:
◦ Daje mnogo manje učinke od adijabatske metode

Prednosti:
◦ Nema pokretnih dijelova
◦ Funkcionira na veoma niskim temperaturama

Kompresorska linija prolazom kroz tekući vodik
osigurava da izotop 4He prije ulaska u JouleThompsonov 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. Izmjenjivač
topline 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.

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.

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).
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.

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.





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
http://en.wikipedia.org/wiki/Dilution_refrigerator
http://en.wikipedia.org/wiki/Adiabatic_demagnetization

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.



Vođenje – toplinski izolatori (teflon)
Radijacija – visoko reflektivne površine (inoks)
Konvekcija – u vakuumu zanemarivo

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.
Slika 8.3.
Uskladištenje 4He.
Bačva s Dewarovim stjenkama. Dvostruko stjenke
odvoditi tu vakuumom i imaju visok sjaj.
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.


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.
Slika 8.5.
Jednostavnije mjerenje niskih temperatura.
U posudi kontroliranog volumena je 4He. Prati se tlak
plina i tako određuje temperatura.

Bourdonova cijev
p=p(T)
Manometar
V=konst.
4He
Ukapljivač za helij
(Institut za fiziku
Sveučilišta, Zagreb)
Helij ukapljuje aparatura
na desnoj strani.
Upotrebljava se JouleThompsonov ventil.
Transfer-linija izlazi
okomito iz aparature za
ukapljivanje i prenosi
ukapljeni helij. Veliki
spremnik ukapljenog
helija dominira lijevom
stranom slike.


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.