VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN Fakulta elektrotechniky a komunika ních technologií Ústav mikroelektroniky
Kryogenní technika v elektrovakuové technice V elektrovakuové technice má kryogenní technika velký význam. Používá se nap . k vymrazování, ale i k zajišt ní tepelného pom ru u speciálních p ístroj . Nejv tší význam a uplatn ní má kryogenní technika v pr myslových aplikacích p i zkapal ování technických plyn . Nesmíme však pominout i detek ní systémy, které pracují p i nízké teplot , a tím se potla í nežádoucí šum. Další široká oblast použití souvisí s vývojem vysokoteplotních supravodi .
Kryogenní technika Kryogenní technika je už od svých po átk založena na použití vakuové techniky. Bez vakuové techniky by nebylo možné dosáhnout vynikající tepelné izolace, nebo vedení tepla v konstruk ních materiálech a plynech je nežádoucí. Tepelnou izolaci poskytuje vakuum (Dewarova nádoba), a tak vakuové okruhy jsou b žnou sou ástí v tšiny zkapal ova .
(
)
Radia ní tepelný tok mezi plochami o teplotách T1 a T2 je: Qr = σ ⋅ e21 T14 − T24 , kde = 5,67.10-8 W.m-2K-1 je Stefan-Boltzmanova konstanta a e21 je sou initel vzájemné emisivity ploch. P i konstrukci tepelných izolací je znalost koeficient emisivity tepelného zá ení materál základním požadavkem. I p es všechna opat ení, bývá radia ní tok p i velkých rozdílech teploty zna ný. Proto se v tšinou používá stín ní plochami se sníženou teplotou. Typickým p íkladem je odizolování nízkoteplotního stupn na teplot tekutého hélia teplotním štítem chlazeným kapalným dusíkem. Za ízení, které se používá k tepelné izolaci vnit ních chladných ástí od okolního prost edí se nazývá kryostat. Vnit ní ásti jsou chlazeny vn jším chladícím za ízením nebo tzv. kryokapalinami. Z nichž jsou nejpoužívan jší kapalný dusík, jehož teplota je 77 K a kapalné hélium s teplotou 4.2 K. Na první pohled se zdá, že teplota kryostatu je dána teplotou chladící kapaliny. Ve skute nosti však m že být v kryostatech dosaženo mnohem nižších teplot - t eba od erpáváním par nad hladinou p íslušné kapaliny, protože odebíráním výparného tepla se kapalina ochlazuje. Následující tabulka ukazuje p ehled charakteristických vlastností nejvíce používaných chladících médií. Tab.1 - Vlastnosti nej ast ji používaných chladících médií (podle Robardse a Sleytra 1985) Kapalina Etanol Isopentan Etan Propan Kapalný dusík Kapalné hélium
Michal Zychá ek
Bod tání
Bod varu
K
K
J/gK
mJ/msK
156,0 113,0 90,0 84,0 63,0 (1,7)
352,0 301,0 184,0 231,0 77,0 4,2
1,9 1,7 2,3 1,9 2,0 4,5
206,0 182,0 240,0 219,0 153,0 18,0
letní semestr 2005
Specifické teplo Tepelná vodivost
str. 1
VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN Fakulta elektrotechniky a komunika ních technologií Ústav mikroelektroniky Kryostaty slouží k ú el m vyžadující nízké teploty. Mohou v nich být umíst ny supravodivé magnety nebo se zde mohou provád t v decké experimenty, technická m ení i m ení teplotních závislostí atd. Krom zkapal ování technických plyn má kryogenní technika i využití u ady pr myslových technologických postup jako je nap . výroba žárovek i výbojek. Sou asné pr myslové aplikace a výzkumné projekty vyžadují velmi isté vakuum, bez stop ne istot a asto i velké erpací rychlosti. V oblasti nízkých tlak t mto požadavk m nejlépe vyhovují kryogenní výv vy.
Kryovýv vy Kryovýv vy jsou výv vy sorp ní. Jsou to moderní, neustále zdokonalované výv vy dosahujících istého vakua až ultravakua pomocí nízkých teplot. Nízká teplota je dosažena použitím tekutého dusíku LN2, pop . tekutého helia LHe (L znamená liquid = tekutý). Kryovýv vou lze dosáhnout extrémn nízkých tlak (pod 10-10 Pa) a pom rn velkých erpacích rychlostí. erpaný plyn výv vou neprochází, ale je vázán p ímo na erpacím kryopanel. erpané plyny tedy v t chto výv vách z stávají, proto se vysta í se sacím hrdlem. Ke své innosti kryovýv vy nepot ebují v bec žádné médium, které by mohlo zne istit erpaný prostor. Chladící kapalina je odd lena st nou kryopanelu. P esto mají kryovýv vy dv nevýhody: a)
Nejsou p íliš vhodné pro erpání z atmosférického tlaku vzhledem k velkému množství plynu, které je t eba vázat. S tlouš kou kondenzátu se zhoršují chladící vlastnosti kryopanelu. Problém však lze vy ešit použitím n kolika kryovýv v a jejich postupným p epínáním.
b)
Obtížn se erpá plyn vodík, neon a zvlášt helium. Vodík je vázán na povrchu a je i v malém množství rozpušt n v kovových materiálech používaných pro konstrukci aparatury a p i velmi nízkých tlacích se uvol uje, hélium proniká net snostmi z okolí. Pro erpání t chto plyn musí být provedena zvláštní opat ení.
Podle principu erpání se kryogenní výv vy d lí na výv vy: kryokondenza ní, kryoadsorp ní, kryokondenza n -adsorp ní a kryogetrující. Pro lepší orientaci se p idržíme d lení jen na kryokondenza ní a kryosorp ní. Kryogenní výv vy lze také d lit podle provozních teplot: 120 – 77 K – dusíkové teploty LN2 bez erpání dusíku, 77 – 20 K – s erpáním LN2, 20 – 4,2 K – heliové teploty LHe bez erpání He a teploty T < 4,2 K – s erpáním He. Op t pro zjednodušení, d lení zavedeme na dusíkové teploty a na heliové teploty. V n kterých literaturách se ješt uvádí d lení kryovýv v podle zp sobu chlazení na: láz ové (“nalévací“), odpa ovací s nižším tlakem než atmosférickým, refrigerátorové se zkapal ova i. Michal Zychá ek
letní semestr 2005
str. 2
VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN Fakulta elektrotechniky a komunika ních technologií Ústav mikroelektroniky Všechny kryovýv vy jsou v podstat jednoduché bez pohyblivých ástí. Krom odplyn ní nepot ebují údržbu a mají tak neomezenou životnost. Bohužel to neplatí u nutného p íslušenství kryovýv v.
Kryokondenza ní výv va pro heliovou teplotu Kryokondenza ní výv va je znázorn na na obrázku. Tvo í ji komora s velkým pom rem chladících povrch k objemu s dvojitými st nami, jimiž protékají chladící tekutiny, které se dopl ují podle toho, jak se odpa ují. Vnit ní dutá válcová nádoba je chlazena LHe a m že dosáhnout teploty až 4,2 K. Zpravidla však teplota bývá do 20 K. Aby nedocházelo k oteplování chladícího plynu sáláním zven í, a tím k v tším ztrátám LHe, je vnit ní dutá válcová nádoba obklopena delší dutou válcovou nádobou s odpa ujícím se LN2, ímž se dosáhne teploty až 77 K oproti 273 K zven í. Kryt výv vy m že mít dvojitou st nu ze špatn tepeln vodivého materiálu (nerezové oceli) a vakuum mezi st nami. Oba povrchy chladících element se dv ma chladícími okruhy pracují jako výv vy, p i emž se vždy nejd íve chladí LN2 a poté teprve LHe. Krom He, H2 a Ne zkondenzují p i teplot 4,2 K všechny plyny. So et parciálních tlak He, H2 a Ne tvo í podíl ve vzduchu odpovídající tlaku p = 2,4 Pa, a proto by se nemohlo dosáhnou nižšího tlaku. Jako protiopat ení se musí aparatura v etn výv vy p ed zapnutím nejd íve propláchnout istým N2 nebo Ar, vy erpá se jinými výv vami a teprve poté se zapne erpání LN2 a nakonec LHe. Obr. 1.: Kryokondenza ní výv va chlazená tekutým heliem (LHe) : Heliová nádoba (1) je kv li tepelnému stín ní p ekryta v tší, rovn ž válcovou nádobou (2), chlazenou tekutým dusíkem LN2 s bodem varu asi 70 K. (3) je sací hrdlo.
erpací rychlost kryovýv vy S0 [f.s-1] je velká, je však omezena sou initelem kondenzace sou initelem ulp ní . Jejich vzorce jsou: 1
p R ⋅T 2 T S 0 = 11,6 ⋅ A ⋅ a , kde δk = β ⋅ s ⋅ 2 p Tk A – je plocha, T [K] – je teplota erpaného plynu, Tk [K] – je kondenza ní teplota, Ps [Pa] – je nasycený tlak plynu p i Tk a p [Pa] – je tlak erpaného plynu.
Michal Zychá ek
letní semestr 2005
str. 3
k
a
VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN Fakulta elektrotechniky a komunika ních technologií Ústav mikroelektroniky Kryokondenza ní výv va nem že erpat neomezen dlouhou dobu, protože na ochlazených plochách nar stá kondenzát plyn v pevné form . Tepelná vodivost kondenzátu je malá, takže teploty skute ných kondenza ních ploch rostou. Tlouš ky kondenzát by proto nem ly p esáhnout celkovou tlouš ku 1 cm. Jestliže po zastavení p ívodu chladiv (p i odstavení výv vy, nebo p i její poruše) kondenzát roztaje, mohl by se tlak v aparatu e a ve výv v natolik zvýšit, že by došlo k nebezpe í exploze. Každá kryovýv va proto musí být opat ena pojistným p etlakovým ventilem. Bezpe nostním ventilem bývá nej ast ji slabá kovová membrána vhodn dimenzovaná na tlak, p i n mž praská.
Kryosorp ní výv vy Viz.: http://www.umel.feec.vutbr.cz/~bousek/vak/index.html
Další typy výv v Láz ová výv va má nejjednodušší uspo ádání. Má dva stínící plášt . Jeden na teplot kapalného dusíku a druhý ochlazovaný odcházejícími parami helia (ty mají teplotu p ibližn 30 K). Tímto zp sobem je velmi ú inn potla en tepelný tok do oblasti s kapalným heliem. Nápl 30 litr helia vydrží n kolik m síc . Kuz ové výv vy pracují obvykle jako kondenza ní. Pr tokové kryovýv vy mají dutý kryopanel spojený s tepelným vým níkem, kterým proudí helium. Proud helia je ovládán ventilem na konci p epoušt cí trubice zásobník (Dewarovy nádoby). Regulací pr toku je možné nastavit teplotu kryopanelu a tím i erpací výkon. Výhodou je libovolná pracovní poloha, volitelná teplota kryopanelu a využití nejen výparného tepla, ale i tepelné kapacity par chladícího média. Kryovýv vy s refrigerátory jsou výhodné pro trvalý provoz. Kryopanel je zde spojen se za ízením pracujícím s uzav eným chladícím cyklem. Nejv tší výhodou je nezávislost na dodávkách chladících plyn . Volbou chladícího výkonu lze regulovat erpací rychlost. Chladícím médiem je vždy helium.
Poznámka: N které kovy p i nízkých teplotách ztrácejí houževnatost a stávají se sklovit k ehkými. Nap íklad láhev z b žné oceli napln ná odpa ujícím se LN2 se úderem rozt íští na kousky, podobn i pryžové hadice (které se nejprve stanou neohebnými), pryžová t sn ní apod. Proto se ke konstrukci kryovýv v a jejich p íslušenství používají kovy a slitiny, u nichž se k ehkost projevuje mén . Pat í sem Cu, Al, bronzy, n které slitiny titanu a austenitické oceli (tzv. nerezav jící, nemagnetické). P esto jsou všechny kryogenní elementy mechanicky choulostivé a vyžadují opatrné zacházení.
Michal Zychá ek
letní semestr 2005
str. 4
VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN Fakulta elektrotechniky a komunika ních technologií Ústav mikroelektroniky
Supravodivost Supravodivost je jev vymizení elektrického odporu. Poprvé byla pozorována na rtuti p i teplot kapalného helia. Postupn byl tento jev zjišt n u ady dalších kovových prvk p i jejich ochlazení pod tzv. kritickou teplotu Tk. M rný elektrický odpor supravodi e je v ádu 10-25 . Pro p irovnání je pom r vodivosti m di a supravodi p ibližn stejný jako pom r vodivosti izolant a m di. Mikrofyzikální vysv tlení jevu supravodivosti podali v roce 1957 Bardeen, Cooper a Schrieffer. Ti popsali jev takto: a) V supravodivém stavu dochází k párování elektron s opa nými spiny v d sledku p itažlivé interakce zp sobené vzájemnou vým nou fonon (kvanta vibra ní energie krystalové m íže). Tato elektron-fonon-elektronová interakce je v tší než jejich efektivní elektrostatické odpuzování a vede ke vzniku tzv. Cooperových pár elektron . b) Jednotlivé elektrony jsou fermiony a v každém kvantovém stavu m že vždy být jen jeden. Pro dobré vodi e jsou tyto interakce velmi malé a proto tyto kovy mohou být supravodi i pouze za extrémn nízkých teplot. Supravodi i také nejsou látky s velkou permeabilitou (Fe, Co, Ni). c) Cooperovy páry jsou bosony a do jediného základního stavu jich m že kondenzovat neomezený po et. K roztržení Cooperova páru je t eba dodat energii v tší než je jejich energie vazby, což je práv hodnota energie, která v supravodi i odd luje základní stav od nejbližšího vybuzeného stavu (energetická mezera 10-3 – 10-4 eV). Na supravodivosti se podílí pouze malá ást ≈ 10-4 z celkového po tu elektron (1022 cm-3). P itom je st ední vzdálenost elektron tvo ících pár p ibližn v rozmezí 10-8 – 10-6 m. To znamená, že mezi každými dv ma ú astníky Cooperova páru leží velké množství jiných elektron a že vlnové funkce jednotlivých pár se siln p ekrývají. d) Významnou vlastností Cooperových pár je, že se mohou pohybovat m ížkou bez disipativních ztrát, pokud je interak ní energie s m ížkou menší než ší ka energetické mezery. To znamená, že v uzav ené smy ce supravodi e bude jednou urychlená soustava Cooperových pár zachovávat permanentní tok tzv. perzistentní proud. e) P ekro í-li interak ní energie páru s m ížkou hodnotu ší ky energetické mezery (zvýšením teploty, p sobením magnetického pole, nebo mikrovlnným zá ením) nastane p echod do normálního stavu elektronové vodivosti s obvyklou disipací energie p i pr chodu m ížkou. Supravodi e se d lí do dvou skupin p edevším podle jejich chování v magnetickém poli: a) U první skupiny supravodivost vymizí již p i pom rn malé hodnot magnetické indukce. Pat í sem všechny kovy krom Nb, Tc a V (které stejn jako jejich slitiny pat í do druhé skupiny). b) U druhé skupiny je možné udržet supravodivost i p i pom rn velké magnetické indukci. Vhodnou konstrukcí vodi a výb rem materiálu je možné dosáhnout magnetické indukce p es 15 T. Pat í sem již výše zmín né kovy. Supravodivost se využívá p edevším pro konstrukci magnetických systém . Jde nap íklad o homogenní magnetická pole pro p ístroje NMR (nukleární magnetické rezonance).
Literatura [1] BOUŠEK, J., ŠANDERA, J.: Elektrovakuové p ístroje a technika nízkých teplot [2] Zápisy z p ednášek [3] Internetový zdroj
Vypracoval: Michal Zychá ek, student VUT v Brn ; fakulta: FEKT , obor: MET, ro ník : III.
Michal Zychá ek
letní semestr 2005
str. 5
