Aplikace fyziky n´ızk´ ych teplot
• Vakuov´ a fyzika • Vˇ edeck´e pˇristroje • Biologie a medic´ına • Supravodiˇ ce • Raketov´ a technika • Doprava • Ostatn´ı aplikace
Fyzika n´ızk´ ych teplot
1 / 38
Vakuov´ a fyzika • Vymrazovaˇ cky • Sorpˇ cn´ı v´yvˇevy
Vymrazovaˇ cky
1 1
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika n´ızk´ ych teplot
2 / 38
Sorpˇ cn´ı v´ yvˇ evy
• kryogenn´ı • zeolitov´ e • sublimaˇ cn´ı
princip: v´az´an´ı plyn˚ u a par na povrch a v materi´alech k tomu zvl´aˇstˇe pˇripraven´ych koeficient ulpˇen´ı bl´ızk´y jedn´e, doba pobytu co nejvˇetˇs´ı plyn z˚ ust´av´a uvnitˇr v´yvˇevy (ˇcerpan´eho prostoru) ve v´azan´em stavu na sorbuj´ıc´ım povrchu, nebo ve vrstv´ach pod povrchem ˇcerpac´ı rychlost je u ´mˇern´a velikosti sorbuj´ıc´ıho povrchu
Fyzika n´ızk´ ych teplot
3 / 38
Kryogenn´ı (kryosorpˇ cn´ı) v´ yvˇ evy
Princip: adsorbovan´ı a kondenzace plyn˚ u a par kryogenn´ı v´yvˇeva - teplota < 30 K kapaln´y dus´ık (77 K) - vymrazovaˇcka Kryogenn´ı v´yvˇevy se zpravidla pouˇz´ıvaj´ı na z´ısk´an´ı ultravakua, uv´ad´ı se do ˇcinnosti aˇz po z´ısk´an´ı n´ızk´eho vakua jin´ym typem v´yvˇev (difuzn´ı, turbomolekularn´ı,...)
Fyzika n´ızk´ ych teplot
4 / 38
2 2
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika n´ızk´ ych teplot
5 / 38
3 3
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika n´ızk´ ych teplot
6 / 38
4
4
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika n´ızk´ ych teplot
7 / 38
5 5
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika n´ızk´ ych teplot
8 / 38
6
6
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika n´ızk´ ych teplot
9 / 38
Modern´ı kryogenn´ı v´ yvˇ evy
• plynn´ e He • uzavˇren´ y okruh He • nejniˇ zˇs´ı teploty 10 - 20 K • nen´ı potˇreba LN2 • mezn´ı tlak < 10−11 hPa • chlazen´ı - Gifford-McMahon/Solvay cyklus,...
Fyzika n´ızk´ ych teplot
10 / 38
Gifford-McMahon
7 7
Survey of Cryogenic Cooling Techniques, Aerospace Corp. 1972 Fyzika n´ızk´ ych teplot
11 / 38
• kryokondenzace (vˇ etˇsina plyn˚ u) • kryosorpce (Ne,H2 ,He) • kryotrapping efekt (por´ ezn´ı vrstva kondenzovan´eho plynu) • m˚ uˇze pracovat od atmosf´erick´eho tlaku • chlazen´ı typicky He • z´ısk´ av´an´ı vysok´eho a extr´emnˇe vysok´eho vakua • velk´ a ˇcerpac´ı rychlost • mezn´ı tlak v´ yvˇevy je d´an tenz´ı par ˇcerpan´eho plynu pˇri teplotˇe
kondenzaˇcn´ı stˇeny • po urˇ cit´e dobˇe provozu nutn´a regenerace
Fyzika n´ızk´ ych teplot
12 / 38
LHC
8 8
http://lhc.web.cern.ch/lhc/ Fyzika n´ızk´ ych teplot
13 / 38
LHC
9 9
http://lhc.web.cern.ch/lhc/ Fyzika n´ızk´ ych teplot
14 / 38
LHC
pr˚ umˇer asi 45 mm, 1 mm nerez ocel + 75µm Cu, 5-20 K, 10
10
http://lhc.web.cern.ch/lhc/ Fyzika n´ızk´ ych teplot
15 / 38
Zeolitov´ e v´ yvˇ evy
11 11
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika n´ızk´ ych teplot
16 / 38
• dominantn´ı proces je fyzisorpce • dobˇre ˇ cerp´a H2 O, N2 , O2 , uhlovod´ıky • ˇspatnˇ e ˇcerp´a Ne, He, H2 , ... • velk´ y povrch, 1g ∼ 1000 m2 , pracuje od ∼ 105 Pa • dutiny a kan´ alky ∼ 1 nm • d´ a se regenerovat pˇri vysok´e teplotˇe • zvˇ etˇsen´ı u ´ˇcinnosti sn´ıˇzen´ım teploty zeolitu (tekut´y dus´ık 77 K) • ˇ z´adn´e vibrace
Fyzika n´ızk´ ych teplot
17 / 38
Sublimaˇ cn´ı v´ yvˇ evy
Princip - opakovan´e vytv´aˇren´ı povrchu ˇcist´eho kovu (napaˇrov´an´ı, napraˇsov´an´ı,...), nejˇcastˇeji se pouˇz´ıv´a Ti. Teoreticky mohou pracovat od atmosf´erick´eho tlaku, prakticky asi od 10−4 Pa.
Fyzika n´ızk´ ych teplot
18 / 38
Ti + O2 −→ TiO2 Ti + CO −→ TiCO Ti + CO2 −→ TiCO2 2 Ti + N2 −→ 2 TiN 2 Ti + H2 O −→ TiO + H2 + Ti −→ TiO + TiH2 Ti + H2 ←→ TiH2
Fyzika n´ızk´ ych teplot
19 / 38
Teploty t´an´ı: Mo - 2623 ◦C , Ti - 1668 ◦C , W - 3422 ◦C 12
12
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika n´ızk´ ych teplot
20 / 38
13
13
J. Groszkowski: Technika vysok´eho vakua, SNTL, Praha 1981 Fyzika n´ızk´ ych teplot
21 / 38
• dominantn´ı proces je chemisorpce • dobˇre ˇ cerp´a H2 , H2 O, N2 , CO, CO2 , O2 • neˇ cerp´a inertn´ı plyny napˇr. Ne, Ar , ... • opakovan´ e vytv´aˇren´ı ˇcist´eho povrchu kovu, pracuje od ∼ 10−4 Pa • z´ısk´ av´an´ı vysok´eho a extr´emnˇe vysok´eho vakua • zvˇ etˇsen´ı u ´ˇcinnosti sn´ıˇzen´ım teploty pohlcuj´ıc´ıho povrchu
Fyzika n´ızk´ ych teplot
22 / 38
Vˇ edeck´ e pˇr´ıstroje
• chlazen´ı detektor˚ u CCD pro OES • chlazen´ı detektor˚ u pro infraˇcervenou spektrometrii • chlazen´ı v´ ykonov´ych laser˚ u - HILASE - 150 K - 30 m/s • supravodiv´ e magnety • kryostaty
Fyzika n´ızk´ ych teplot
23 / 38
Herschel Space Observatory
• start 14.5.2009, raketou Ariane 5 • v´ aha 3.3 t, um´ıstˇen´ı L2, • prim´ arn´ı zrcadlo m´a pr˚ umˇer 3.5 m • 2300 l LHe, 1.4K • pˇredpokl´ adan´a ˇzivotnost 3 roky • 29.4.2013 - mise ukonˇ cena 14
14
http://en.wikipedia.org/wiki/Herschel Space Observatory Fyzika n´ızk´ ych teplot
24 / 38
Biologie a medic´ına
• dlouhodob´ e skladov´an´ı vir˚ u a bakteri´ı • dlouhodob´ e skladov´an´ı bio-prepar´at˚ u • dlouhodob´ e skladov´an´ı semen • kryoskalpel - chlad´ıc´ı rychlost 1300 o C/min • celotˇ elov´a kryoterapie, -110 o C aˇz -160 o C, asi 3 minuty
Fyzika n´ızk´ ych teplot
25 / 38
Supravodiˇ ce
15
• pˇrenos energie - Holbrook Superconductor Project - 600 m,
LN2 - 49 000 l • supravodiv´ e motory • akumulace energie - stabilizace el.s´ıtˇ e
Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) - 1 MWh, testuj´ı se 20 MWh • LHC - NbTi (9 K) - chlazen na 1.9 K,
hav´arie 19.9.2008, pˇri proudu 8.7 kA, provozn´ı proud 9.3 kA, rekonstrukce 700 m, ztr´ata 6 t He, celkov´e mnoˇzstv´ı asi 120 t
15
http://www.superconductors.org/ Fyzika n´ızk´ ych teplot
26 / 38
16
16
http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:CERN-cables-p1030764.jpg Fyzika n´ızk´ ych teplot
27 / 38
Raketov´ a technika
okysliˇcovadlo - LO2 , 90 K palivo u nˇekter´ych raket - LH2 , 20 K • vojensk´ e rakety - V2 -LO2 4910 kg,
vyrobeno asi 5200 kus˚ u;... • civiln´ı rakety - Saturn V, N1, Soyuz, ...
17 17
http://en.wikipedia.org/wiki/File:N1%2BSaturn5.jpg Fyzika n´ızk´ ych teplot
28 / 38
Doprava
• MAGLEV - prvn´ı patent 1905 • 2015 rychlostn´ı rekord 603 km/h ˇ ına 30 km, Jiˇzn´ı Korea 1 km • d´ elka tras - Japonsko 9 km, C´ • 5 tras ve v´ ystavbˇe • Vactrain • prvn´ı zm´ınky 1910 - R.Goddard • Swissmetro - projekt zastaven • Transatlantic tunnel • StarTram • Hyperlloop - max. 1300 km/h, 100 Pa, vzduchov´y polˇst´aˇr, 35 min - 570 km, projekt 2012 nepouˇz´ıv´a n´ızk´e teploty
Fyzika n´ızk´ ych teplot
29 / 38
MAGLEV
18 18
http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:JR-Maglev-MLX01-2.jpg Fyzika n´ızk´ ych teplot
30 / 38
. • doprava zemn´ıho plynu LNG, teplota -160 ◦C = 113 K (CH4 ), poˇcet zkapalˇ novac´ıch stanic - 42 Evropa - 25 pˇr´ıstav˚ u pro pˇr´ıjem, typick´a d´elka cesty tankeru 20 dn˚ u - odpar asi 2 - 6 % • letadla - bezpilotn´ı Boeing Phantom Eye - LH2
Fyzika n´ızk´ ych teplot
31 / 38
Ostatn´ı aplikace
• skladov´ an´ı potravin • pˇri z´ aplav´ach - z´achrana knih a dokument˚ u • ˇ ciˇstˇen´ı povrch˚ u such´ym ledem CO2 ; -78 ◦C • detektory magnetick´ eho pole - SQUID • v´ yroba Braggovsk´ych mˇr´ıˇzek - LH2, optick´e senzory, kompenz´atory
chromatick´e disperze • kvantov´ e poˇc´ıtaˇce - supravodiˇce • teleportace - Boseho-Einstein˚ uv kondenz´at - Rb, 170 nK • z´ısk´ av´an´ı vody • akumulace energie
Fyzika n´ızk´ ych teplot
32 / 38
SQUID • Josephson jev - supravodiˇ c-izol´ator-supravodiˇc • magnetometr 5 × 10−18 T , (mag. pole Zemˇ e 25-65 µT)
19 19
en.wikipedia.org Fyzika n´ızk´ ych teplot
33 / 38
Braggovsk´ e mˇr´ıˇ zky
20
20
en.wikipedia.org Fyzika n´ızk´ ych teplot
34 / 38
Kvantov´ e poˇ c´ıtaˇ ce • qubity • 2011 - 128 qubit˚ u • 2013 - 512 qubit˚ u • supravodiˇ ce • NSA - l´ am´an´ı ˇsifer
D-Wave - 128 qubit 21
21
en.wikipedia.org Fyzika n´ızk´ ych teplot
35 / 38
Kvantov´ a teleportace
• Boseho-Einstein˚ uv kondenz´at - Rb 170 nK, 2001 - Nobelova cena • kvantov´ e efekty na makroskopick´e u ´rovni • atomy, fotony, ... • zmˇ ena kvantov´eho stavu • kvantov´ a kryptografie, kvantov´e poˇc´ıtaˇce
Fyzika n´ızk´ ych teplot
36 / 38
Z´ısk´ av´ an´ı vody ze vzduchu Princip - kondenzace Zaˇr´ızen´ı firmy Aqua Sciencis - v´ırov´a trubice, na v´ystupu teplota aˇz -46 o C 4500 litr˚ u dennˇe
22
22
http://www.osel.cz/index.php?clanek=2499 Fyzika n´ızk´ ych teplot
37 / 38
Vojensk´ e aplikace
• chlazen´ı infra detektor˚ u • rakety - LO2 • AIP pohon pro ponorky - palivov´ e ˇcl´anky - Type 212,214,.. • magnetometry SQUID • kvantov´ e poˇc´ıtaˇce
Fyzika n´ızk´ ych teplot
38 / 38
