Kryogenní technika v elektrovakuové technice V elektrovakuové technice má kryogenní technika velký význam. Používá se nap. k vymrazování, ale i k zajištní tepelného pomru u speciálních pístroj. Nejvtší význam a uplatnní má kryogenní technika v prmyslových aplikacích pi zkapalování technických plyn. Nesmíme však pominout i detekní systémy, které pracují pi nízké teplot, a tím se potlaí nežádoucí šum. Další široká oblast použití souvisí s vývojem vysokoteplotních supravodi. Kryogenní technika Kryogenní technika je už od svých poátk založena na použití vakuové techniky. Bez vakuové techniky by nebylo možné dosáhnout vynikající tepelné izolace, nebo vedení tepla v konstrukních materiálech a plynech je nežádoucí. Tepelnou izolaci poskytuje vakuum (Dewarova nádoba), a tak vakuové okruhy jsou bžnou souástí vtšiny zkapalova. 4 4 Radianí tepelný tok mezi plochami o teplotách T 1 a T 2 je: e ( T ) Q r = σ 21 1 T2, kde = 5,67.10-8 W.m -2 K -1 je Stefan-Boltzmanova konstanta a e 21 je souinitel vzájemné emisivity ploch. Pi konstrukci tepelných izolací je znalost koeficient emisivity tepelného záení materál základním požadavkem. I pes všechna opatení, bývá radianí tok pi velkých rozdílech teploty znaný. Proto se vtšinou používá stínní plochami se sníženou teplotou. Typickým píkladem je odizolování nízkoteplotního stupn na teplot tekutého hélia teplotním štítem chlazeným kapalným dusíkem. Zaízení, které se používá k tepelné izolaci vnitních chladných ástí od okolního prostedí se nazývá kryostat. Vnitní ásti jsou chlazeny vnjším chladícím zaízením nebo tzv. kryokapalinami. Z nichž jsou nejpoužívanjší 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 skutenosti však mže být v kryostatech dosaženo mnohem nižších teplot - teba oderpáváním par nad hladinou píslušné kapaliny, protože odebíráním výparného tepla se kapalina ochlazuje. Následující tabulka ukazuje pehled charakteristických vlastností nejvíce používaných chladících médií. Tab.1 - Vlastnosti nejastji používaných chladících médií (podle Robardse a Sleytra 1985) Kapalina Bod tání Bod varu Specifické teplo Tepelná vodivost K K J/gK mj/msk Etanol 156,0 352,0 1,9 206,0 Isopentan 113,0 301,0 1,7 182,0 Etan 90,0 184,0 2,3 240,0 Propan 84,0 231,0 1,9 219,0 Kapalný dusík 63,0 77,0 2,0 153,0 Kapalné hélium (1,7) 4,2 4,5 18,0 Michal Zycháek letní semestr 2005 str. 1
Kryostaty slouží k úelm vyžadující nízké teploty. Mohou v nich být umístny supravodivé magnety nebo se zde mohou provádt vdecké experimenty, technická mení i mení teplotních závislostí atd. Krom zkapalování technických plyn má kryogenní technika i využití u ady prmyslových technologických postup jako je nap. výroba žárovek i výbojek. Souasné prmyslové aplikace a výzkumné projekty vyžadují velmi isté vakuum, bez stop neistot a asto i velké erpací rychlosti. V oblasti nízkých tlak tmto požadavkm nejlépe vyhovují kryogenní vývvy. Kryovývvy Kryovývvy jsou vývvy sorpní. Jsou to moderní, neustále zdokonalované vývvy dosahujících istého vakua až ultravakua pomocí nízkých teplot. Nízká teplota je dosažena použitím tekutého dusíku LN 2, pop. tekutého helia LHe (L znamená liquid = tekutý). Kryovývvou lze dosáhnout extrémn nízkých tlak (pod 10-10 Pa) a pomrn velkých erpacích rychlostí. erpaný plyn vývvou neprochází, ale je vázán pímo na erpacím kryopanel. erpané plyny tedy v tchto vývvách zstávají, proto se vystaí se sacím hrdlem. Ke své innosti kryovývvy nepotebují vbec žádné médium, které by mohlo zneistit erpaný prostor. Chladící kapalina je oddlena stnou kryopanelu. Pesto mají kryovývvy dv nevýhody: a) Nejsou píliš vhodné pro erpání z atmosférického tlaku vzhledem k velkému množství plynu, které je teba vázat. S tlouškou kondenzátu se zhoršují chladící vlastnosti kryopanelu. Problém však lze vyešit použitím nkolika kryovývv a jejich postupným pepínáním. b) Obtížn se erpá plyn vodík, neon a zvlášt helium. Vodík je vázán na povrchu a je i v malém množství rozpuštn v kovových materiálech používaných pro konstrukci aparatury a pi velmi nízkých tlacích se uvoluje, hélium proniká netsnostmi z okolí. Pro erpání tchto plyn musí být provedena zvláštní opatení. Podle principu erpání se kryogenní vývvy dlí na vývvy: kryokondenzaní, kryoadsorpní, kryokondenzan-adsorpní a kryogetrující. Pro lepší orientaci se pidržíme dlení jen na kryokondenzaní a kryosorpní. Kryogenní vývvy lze také dlit podle provozních teplot: 120 77 K dusíkové teploty LN 2 bez erpání dusíku, 77 20 K s erpáním LN 2, 20 4,2 K heliové teploty LHe bez erpání He a teploty T < 4,2 K s erpáním He. Opt pro zjednodušení, dlení zavedeme na dusíkové teploty a na heliové teploty. V nkterých literaturách se ješt uvádí dlení kryovývv podle zpsobu chlazení na: lázové ( nalévací ), odpaovací s nižším tlakem než atmosférickým, refrigerátorové se zkapalovai. Michal Zycháek letní semestr 2005 str. 2
Všechny kryovývvy jsou v podstat jednoduché bez pohyblivých ástí. Krom odplynní nepotebují údržbu a mají tak neomezenou životnost. Bohužel to neplatí u nutného píslušenství kryovývv. Kryokondenzaní vývva pro heliovou teplotu Kryokondenzaní vývva je znázornna na obrázku. Tvoí ji komora s velkým pomrem chladících povrch k objemu s dvojitými stnami, jimiž protékají chladící tekutiny, které se doplují podle toho, jak se odpaují. Vnitní dutá válcová nádoba je chlazena LHe a mže dosáhnout teploty až 4,2 K. Zpravidla však teplota bývá do 20 K. Aby nedocházelo k oteplování chladícího plynu sáláním zvení, a tím k vtším ztrátám LHe, je vnitní dutá válcová nádoba obklopena delší dutou válcovou nádobou s odpaujícím se LN 2, ímž se dosáhne teploty až 77 K oproti 273 K zvení. Kryt vývvy mže mít dvojitou stnu ze špatn tepeln vodivého materiálu (nerezové oceli) a vakuum mezi stnami. Oba povrchy chladících element se dvma chladícími okruhy pracují jako vývvy, piemž se vždy nejdíve chladí LN 2 a poté teprve LHe. Krom He, H 2 a Ne zkondenzují pi teplot 4,2 K všechny plyny. Soet parciálních tlak He, H 2 a Ne tvoí podíl ve vzduchu odpovídající tlaku p = 2,4 Pa, a proto by se nemohlo dosáhnou nižšího tlaku. Jako protiopatení se musí aparatura vetn vývvy ped zapnutím nejdíve propláchnout istým N 2 nebo Ar, vyerpá se jinými vývvami a teprve poté se zapne erpání LN 2 a nakonec LHe. Obr. 1.: Kryokondenzaní vývva chlazená tekutým heliem (LHe) : Heliová nádoba (1) je kvli tepelnému stínní pekryta vtší, rovnž válcovou nádobou (2), chlazenou tekutým dusíkem LN 2 s bodem varu asi 70 K. (3) je sací hrdlo. erpací rychlost kryovývvy S 0 [f.s -1 ] je velká, je však omezena souinitelem kondenzace k a souinitelem ulpní. Jejich vzorce jsou: R T S 0 = 11,6 A a δ k 2 A je plocha, T [K] je teplota erpaného plynu, T k [K] je kondenzaní teplota, P s [Pa] je nasycený tlak plynu pi T k a p [Pa] je tlak erpaného plynu. 1 2 = β ps p T T k, kde Michal Zycháek letní semestr 2005 str. 3
Kryokondenzaní vývva nemže erpat neomezen dlouhou dobu, protože na ochlazených plochách narstá kondenzát plyn v pevné form. Tepelná vodivost kondenzátu je malá, takže teploty skutených kondenzaních ploch rostou. Tloušky kondenzát by proto nemly pesáhnout celkovou tloušku 1 cm. Jestliže po zastavení pívodu chladiv (pi odstavení vývvy, nebo pi její poruše) kondenzát roztaje, mohl by se tlak v aparatue a ve vývv natolik zvýšit, že by došlo k nebezpeí exploze. Každá kryovývva proto musí být opatena pojistným petlakovým ventilem. Bezpenostním ventilem bývá nejastji slabá kovová membrána vhodn dimenzovaná na tlak, pi nmž praská. Kryosorpní vývvy Viz.: http://www.umel.feec.vutbr.cz/~bousek/vak/index.html Další typy vývv Lázová vývva má nejjednodušší uspoádání. Má dva stínící plášt. Jeden na teplot kapalného dusíku a druhý ochlazovaný odcházejícími parami helia (ty mají teplotu pibližn 30 K). Tímto zpsobem je velmi úinn potlaen tepelný tok do oblasti s kapalným heliem. Nápl 30 litr helia vydrží nkolik msíc. Kuzové vývvy pracují obvykle jako kondenzaní. Prtokové kryovývvy mají dutý kryopanel spojený s tepelným výmníkem, kterým proudí helium. Proud helia je ovládán ventilem na konci pepouštcí trubice zásobník (Dewarovy nádoby). Regulací prtoku 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. Kryovývvy s refrigerátory jsou výhodné pro trvalý provoz. Kryopanel je zde spojen se zaízením pracujícím s uzaveným chladícím cyklem. Nejvtší výhodou je nezávislost na dodávkách chladících plyn. Volbou chladícího výkonu lze regulovat erpací rychlost. Chladícím médiem je vždy helium. Poznámka: Nkteré kovy pi nízkých teplotách ztrácejí houževnatost a stávají se sklovit kehkými. Napíklad láhev z bžné oceli naplnná odpaujícím se LN 2 se úderem roztíští na kousky, podobn i pryžové hadice (které se nejprve stanou neohebnými), pryžová tsnní apod. Proto se ke konstrukci kryovývv a jejich píslušenství používají kovy a slitiny, u nichž se kehkost projevuje mén. Patí sem Cu, Al, bronzy, nkteré slitiny titanu a austenitické oceli (tzv. nerezavjící, nemagnetické). Pesto jsou všechny kryogenní elementy mechanicky choulostivé a vyžadují opatrné zacházení. Michal Zycháek letní semestr 2005 str. 4
Supravodivost Supravodivost je jev vymizení elektrického odporu. Poprvé byla pozorována na rtuti pi teplot kapalného helia. Postupn byl tento jev zjištn u ady dalších kovových prvk pi jejich ochlazení pod tzv. kritickou teplotu T k. Mrný elektrický odpor supravodie je v ádu 10-25. Pro pirovnání je pomr vodivosti mdi a supravodi pibližn stejný jako pomr vodivosti izolant a mdi. Mikrofyzikální vysvtlení jevu supravodivosti podali v roce 1957 Bardeen, Cooper a Schrieffer. Ti popsali jev takto: a) V supravodivém stavu dochází k párování elektron s opanými spiny v dsledku pitažlivé interakce zpsobené vzájemnou výmnou fonon (kvanta vibraní energie krystalové míže). Tato elektron-fonon-elektronová interakce je vtší než jejich efektivní elektrostatické odpuzování a vede ke vzniku tzv. Cooperových pár elektron. b) Jednotlivé elektrony jsou fermiony a v každém kvantovém stavu mže vždy být jen jeden. Pro dobré vodie jsou tyto interakce velmi malé a proto tyto kovy mohou být supravodii pouze za extrémn nízkých teplot. Supravodii také nejsou látky s velkou permeabilitou (Fe, Co, Ni). c) Cooperovy páry jsou bosony a do jediného základního stavu jich mže kondenzovat neomezený poet. K roztržení Cooperova páru je teba dodat energii vtší než je jejich energie vazby, což je práv hodnota energie, která v supravodii oddluje základní stav od nejbližšího vybuzeného stavu (energetická mezera 10-3 10-4 ev). Na supravodivosti se podílí pouze malá ást 10-4 z celkového potu elektron (10 22 cm -3 ). Pitom je stední vzdálenost elektron tvoících pár pibližn v rozmezí 10-8 10-6 m. To znamená, že mezi každými dvma úastníky Cooperova páru leží velké množství jiných elektron a že vlnové funkce jednotlivých pár se siln pekrývají. d) Významnou vlastností Cooperových pár je, že se mohou pohybovat mížkou bez disipativních ztrát, pokud je interakní energie s mížkou menší než šíka energetické mezery. To znamená, že v uzavené smyce supravodie bude jednou urychlená soustava Cooperových pár zachovávat permanentní tok tzv. perzistentní proud. e) Pekroí-li interakní energie páru s mížkou hodnotu šíky energetické mezery (zvýšením teploty, psobením magnetického pole, nebo mikrovlnným záením) nastane pechod do normálního stavu elektronové vodivosti s obvyklou disipací energie pi prchodu mížkou. Supravodie se dlí do dvou skupin pedevším podle jejich chování v magnetickém poli: a) U první skupiny supravodivost vymizí již pi pomrn malé hodnot magnetické indukce. Patí sem všechny kovy krom Nb, Tc a V (které stejn jako jejich slitiny patí do druhé skupiny). b) U druhé skupiny je možné udržet supravodivost i pi pomrn velké magnetické indukci. Vhodnou konstrukcí vodi a výbrem materiálu je možné dosáhnout magnetické indukce pes 15 T. Patí sem již výše zmínné kovy. Supravodivost se využívá pedevším pro konstrukci magnetických systém. Jde napíklad o homogenní magnetická pole pro pístroje NMR (nukleární magnetické rezonance). Literatura [1] BOUŠEK, J., ŠANDERA, J.: Elektrovakuové pístroje a technika nízkých teplot [2] Zápisy z pednášek [3] Internetový zdroj Vypracoval: Michal Zycháek, student VUT v Brn; fakulta: FEKT, obor: MET, roník : III. Michal Zycháek letní semestr 2005 str. 5