Kryogenní materiály. Experimentální metody fyziky kondenzovaných soustav II NFPL146 NFPL 095 ZS 2010/11

Transkript

1 Kryogenní materiály Experimentální metody fyziky kondenzovaných soustav II NFPL146 NFPL 095 ZS 010/11 1

2 Materiály pro kryogeniku Dobré vodiče tepla měď, hliník, stříbro Špatné vodiče tepla slitiny mědi, nerezová ocel, sklo, tavený křemen plasty

3 C V T S T V Izolátory U T Měrná tepelná kapacita V Einsteinův model nezávislých oscilátorů x N e U N n, CV Nkx, x x e 1 x e 1 Debyův model hustoty stavů fononů kt Dulongova-Petitova mez: C V =3R pro vysoké teploty 3 x 3 D 3 xd 4 x T x T x e U 9 NkT dx, C 9Nk dx x 1 e 1 x V e 0 0 C ph (T)=1944 (T/Θ D ) 3 [J/mol.K], pro T<Θ D Ar 3

4 Kovy Fermiho-Dirakova distribuční funkce model volných elektronů f e (E) = 1/[(exp(E-μ)/k B T+1] hustota stavů: g e (E)= V m /π (m/ħ ) 3/ E 1/ excitace elektronů v blízkosti Fermiho energie C e (T)=π /.N A k B. T/T F = γt Cu celková měrná tepelná kapacita kovů C = γt + βt 3 4

5 Magnetická tepelná kapacita - Schottkyho anomálie S=1/ dvouhladinový systém C m k B N A E k T B pro E << k B T pro T<1 K (fononový příspěvek zanedbatelný) C = γt + δt - 5

6 Supravodivé kovy C ph se při přechodu zachová z teorie BCS skok měrné tepelné kapacity ΔC = 1.43 γt C elektronová měrná tepelná kapacita C e,s = q.exp(-bt c /T) Al 6

7 Měrná tepelná kapacita některých materiálů 7

8 Tepelná vodivost dq/dt = - A.κ.ΔT z kinetické teorie plynů κ = 1/3 (C/V m ).v.λ fonony κ ph = 1/3(C ph /V m )v s λ ph (T) T<<Θ D (rozptyl fononů na hranicích zrn) λ ph teplotně nezávislá κ ph ~ C ph ~ T 3 T< Θ D /10 interakce fonon - fonon λ ph roste s klesající teplotou nepravidelnosti mřížky: λ ph = konst. - hranice zrn λ ph ~ 1/T dislokace λ ph ~ T -4 bodové poruchy (Rayleigh) 8

9 Elektrony kinetický model volných elektronů κ e = 1/3(C e /V m )v F λ e (T) v F > v s vysoké teploty rozptyl na fononech - κ e s teplotou klesá nízké teploty poruchy a příměsi λ e teplotně nezávislá κ e ~ C e ~ T Wiedemannův - Franzův zákon κ/σ = L 0 T Lorentzovo číslo L 0 = W.Ω/K RRR = ρ 300 K /ρ 4. K 9

10 Wiedemannův Franzův zákon hustota proudu v kovech j nev F ne E m driftová rychlost elektronů v F v F ee / m (τ střední doba života mezi srážkami) elektrická vodivost σ z Ohmova zákona j=σe ne m tepelná vodivost elektronů κ=1/3c el v F λ E F kt F 1 mv F v F Wiedemannův - Franzův zákon κ/σ = L T Lorentzovo číslo L = W.Ω/K C el 1 Nk T T F nk T 3m 3 k e T 10

11 Tepelná vodivost různých materiálů 11

12 další údaje o tepelné vodivosti 1

13 Tepelná vodivost dielektrik 13

14 Teplotní roztažnost anharmonický charakter kmitů mřížky U( x) cx gx fx 3 4 střední hodnota posunutí polohy atomů 3g 4c x kt Nízkoteplotní zpevnění ocelí AISI 304L AISI

15 Kapicův tepelný odpor na rozhraní ΔT = R K.dQ/dt akustické nepřizpůsobení relativní podíl fononů přecházejících přes rozhraní kapalina pevná látka f sin c l / 1 v v l s Snellův zákon lomu - α lc ~ 3 v l ~ 00 m/s v s ~ 5000 m/s R K A T Q 15h 5 16 k 3 4 s 3 vs v T l l 3 15

16 Konstrukční materiály měď: OFHC, žíhaná RRR > 1000 stříbro žíhané, nákladné hliník: obtížné svařování a pájení, povrchová oxidace nerezová ocel: austenitická fáze γ (f.c.c.) 18 0 % Cr, 8 1 % Ni stabilizovaná Ti, Mo, Nb proti martensitické transformaci, nemagnetické (AISI , EN 58, ČSN ) měď - nikl: 70Cu 30Ni, 50Cu 50Ni - tvárné, snadné pájení, nemagnetické mosaz: 70Cu 30Zn monel: 66Ni 30Cu Fe Mn neusilber (pakfong): 47Cu 41Zn 9Ni Pb manganin: 87Cu 13Mn constantan: 57Cu 43Ni inkonel: 7Ni 14-17Cr 6-10Fe Teflon: polytetrafluorethylén (PTFE) (CF ) n Kel-F: polychloretrifluorethylén (CTFE) (CF CFCl) n Vespel: SP 1, SP 1 polyimid Torlon: polyamidimid (PAI) Mylar: polyethylenetereftalát (PET) (C 10 H 8 O 4 ) n Kapton: polypyromelitimid (PPMI) (C H 10 N O 5 ) n, Kapton XP (150XP019) 37,5 μm/1.5 μm Teflon PFA 16

17 Svařování a pájení Obloukové svařování v Ar atmosféře (nerezová ocel) Svářování svazkem elektronů ve vakuu Svařování laserovým svazkem Tvrdé pájky: Ag pájky tavidla: borax, H 3 BO 3 66% Ag 7% Cu 7% Zn ( C) 40% Ag 0% Cu 0% Cd 0% Zn ( C) Castolin 180, 157 Niklové pájky, pájky se zlatem nebo palladiem Ni Nicrobraz kapilární pájení ve vakuu Měkké pájky: 60% Sn 40% Pb ( C) tavidla: kalafuna, ZnCl, 63% Sn 37%Pb eutectická (183 C) NH 3 Cl, H 3 PO 4 50% Sn 3% Pb 18%Cd (145 C) 10% Sn 90% Pb (75-30 C) Woodův kov: 50% Bi 5% Pb 1,5% Sn 1,5% Cd (65 70 C) Ostalloy ,5% Bi 7,3% Pb13,1% Sn 10,1% Cd (70 C) Cerrolow % Bi 18% Pb 1% Sn 1% In (58 C) In 155 C, Ga 9,5 C In-Ga (~33 C) pájka bez parazitního termo emn 70,5% Cd 9,5% Sn 17

18 Lepidla, epoxidové pryskyřice General Electric Varnish GE 7031 nezpolymerizovaná fenolová pryskyřice typu Resinox, také BF 1, BF 6 vakuový tuk Apiezon epoxidové pryskyřice: Araldite, Epibond Stycast 850 FT přizpůsoben tepelné roztažnosti Cu Stycast 850 GT přizpůsoben tepelné roztažnosti mosazi Catalyst 3 LV (7,5/100) Stycast 160 (bezbarvý) (7,5/100) Superizolace: fólie pokovené hliníkem NRC střídavě vinutá hliníková fólie a tenká izolace kaptonová lepicí páska, teflonová páska, 18