Nízké teploty. M. Rotter (a L. Skrbek ) KFNT MFF UK. U3V Praha 4. 1. 2010

Podobné dokumenty
Základy kryogeniky a nízkoteplotní termometrie

FYZIKA 2. ROČNÍK. Elektrický proud v kovech a polovodičích. Elektronová vodivost kovů. Ohmův zákon pro část elektrického obvodu

ACH 02 VZÁCNÉPLYNY. Katedra chemie FP TUL VZÁCNÉ PLYNY

PROVOZNÍ CHARAKTERISTIKY OTOPNÝCH TĚLES

L A S E R. Krize klasické fyziky na přelomu 19. a 20. století, vznik kvantových představ o interakci optického záření s látkami.

podíl permeability daného materiálu a permeability vakua (4π10-7 )

Změny délky s teplotou

Potenciometrie. Obr.1 Schema základního uspořádání elektrochemické cely pro potenciometrická měření

7. Stropní chlazení, Sálavé panely a pasy - 1. část

ZLÍNSKÝ KRAJ. Odvětví / Vzdělávací oblast -- dle RVP.cz -- Vzdělávací obor -- Obchodní akademie / Informační technologie --

MS měření teploty 1. METODY MĚŘENÍ TEPLOTY: Nepřímá Přímá - Termoelektrické snímače - Odporové kovové snímače - Odporové polovodičové

Název a číslo materiálu: VY_32_INOVACE_16_Člověk a příroda_fyzika-6 _ Teplota

Supravodiče. doc. Ing. Jiří Vondrák, DrSc. Získání nejnižších teplot - Kamerlingh-Onnes, kapalné hélium

VY_62_INOVACE_VK64. Datum (období), ve kterém byl VM vytvořen Červen 2012

Podpovrchové vody PŮDNÍ VODA

LED svítidla - nové trendy ve světelných zdrojích

2. STANOVENÍ TEPELNÉ VODIVOSTI.

Obchodní název: M O L Y B D E N O V Ý D R Á T K E S T Ř Í K Á N Í

Snímače tlaku a síly. Snímače síly

Převodník tlaku P 40 Návod k použití

ELEKTROTECHNICKÉ MATERIÁLY

Kryogenní technika v elektrovakuové technice

Tepelná vodivost. střední rychlost. T 1 > T 2 z. teplo přenesené za čas dt: T 1 T 2. tepelný tok střední volná dráha. součinitel tepelné vodivosti

Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava 16. ZÁKLADY LOGICKÉHO ŘÍZENÍ

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

( ) Úloha č. 9. Měření rychlosti zvuku a Poissonovy konstanty

OBEC HORNÍ BOJANOVICE obecně závazná vyhláška č. 05/2005

Václav Meškan - PF JČU v Českých Budějovicích, ZŠ L. Kuby, České Budějovice

% STĚNY OKNA INFILTRA STŘECHA PODLAHA 35 CE % 20 25% 15 20% 10 10% 10% 5

Řízení kalibrací provozních měřicích přístrojů

Atomová absorpční spektroskopie (AAS) spektroskopie (AAS) spektroskopie (AAS) r Wolaston pozoroval absorpční čáry ve slunečním spektru

Instrukce Měření umělého osvětlení

STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE

POŽADAVKY KE STÁTNÍ ZÁVĚREČNÉ ZKOUŠCE MAGISTERSKÉ STUDIUM POČÍTAČOVÉ MODELOVÁNÍ VE VĚDĚ A TECHNICE (NAVAZUJÍCÍ STUDIUM I DOBÍHAJÍCÍ 5-LETÉ STUDIUM)

Téma č obor Obráběcí práce, Zámečnické práce a údržba/strojírenská technologie. Neželezné kovy

Ideální krystalová mřížka periodický potenciál v krystalu. pásová struktura polovodiče

Geodézie. přednáška 3. Nepřímé měření délek. Ústav geoinformačních technologií Lesnická a dřevařská fakulta ugt.mendelu.cz tel.

Příručka uživatele návrh a posouzení

Jaká je nejmenší výška svislého rovinného zrcadla, aby se v něm stojící osoba vysoká 180 cm viděla celá? [90 cm]

Polovodiče typu N a P

Sbírka zákonů ČR Předpis č. 415/2012 Sb.

I. Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb

415/2012 Sb. VYHLÁŠKA. ze dne 21. listopadu 2012 ČÁST PRVNÍ ÚVODNÍ USTANOVENÍ. Předmět úpravy

Demonstrační experiment pro výuku využívající Crookesův radiometr

TRUBKA COBRAPEX S KYSLÍKOVOU BARIÉROU

Příklady k opakování TERMOMECHANIKY

a) Jaká je hodnota polytropického exponentu? ( 1,5257 )

Polovodiče Polovodičové měniče

Výsledky zpracujte do tabulek a grafů; v pracovní oblasti si zvolte bod a v tomto bodě vypočítejte diferenciální odpor.

Návrh induktoru a vysokofrekven ního transformátoru

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

CVIČENÍ č. 8 BERNOULLIHO ROVNICE

Prostorové regulátory s tříbodovým výstupem a jejich aplikace

1 3Tepeln і izolace a hladinom їry kryokapalin

Jaderná energie. Obrázek atomů železa pomocí řádkovacího tunelového mikroskopu

Měření hustoty kapaliny z periody kmitů zkumavky

Elektrická zařízení v prostorách s nebezpečím výbuchu hořlavých plynů, par a prachů

Charakteristika vyučovacího předmětu

ZVYŠOVÁNÍ ODOLNOSTI PROTI NÁHLÝM ZMĚNÁM TEPLOTY U NÍZKOCEMENTOVÝCH ŽÁROBETONŮ

UNIVERZITA PARDUBICE FAKULTA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ. katedra fyziky F Y Z I K A I I

Univerzita obrany. Měření charakteristiky čerpadla K-216. Laboratorní cvičení z předmětu HYDROMECHANIKA. Protokol obsahuje 14 listů

Základní ustanovení. změněno s účinností od poznámka vyhláškou č. 289/2013 Sb a) mezi přepravní soustavou a

1.3 Druhy a metody měření

Vítězslav Bártl. březen 2013

Národní informační středisko pro podporu kvality Tůmová

Termostatický směšovací ventil Technický popis. Max. pracovní tlak: 1 MPa = 10 bar

BAT (nové znění BREF pro cementárny a vápenky, Sevilla únor 2009, přehled hlavních parametrů) Ing. Miloš Cikrt, odborný poradce

264/2000 Sb. VYHLÁKA Ministerstva průmyslu a obchodu

ROZCVIČKY. (v nižší verzi může být posunuta grafika a špatně funkční některé odkazy).

Měření fotometrických parametrů světelných zdrojů

METODICKÉ POKYNY PRO AKREDITACI

REVITALIZACE VEŘEJNÝCH PROSTRANSTVÍ, III. ETAPA B2.1. TECHNICKÁ ZPRÁVA

Název laboratorní úlohy: Popis úlohy: Fotografie úlohy:

Ploché výrobky z konstrukčních ocelí s vyšší mezí kluzu po zušlechťování technické dodací podmínky

c sin Příklad 2 : v trojúhelníku ABC platí : a = 11,6 dm, c = 9 dm, α = Vypočtěte stranu b a zbývající úhly.

13. Přednáška. Problematika ledových jevů na vodních tocích

CENÍK KALIBRAČNÍCH SLUŽEB

ČSN : 4: 2002) ČSN EN

KSQ spol. s r.o. Kalibrační laboratoř Kubatova 1240/6, České Budějovice

Analýza oběžného kola

Fototermika a fotovoltaika [1]

SNÍMAČ T3110. Programovatelný snímač teploty, relativní vlhkosti a dalších odvozených vlhkostních veličin s výstupy 4-20 ma.

Stručná historie skládky Pozďátky. Šíření kontaminace podzemních vod v okolí skládky Pozďátky u Třebíče. Složení uloženého odpadu

ZÁKLADNÍ POŽADAVKY BEZPEČNOSTI PRO OBSLUHU A PRÁCI NA ELEKTRICKÝCH ZAŘÍZENÍCH

Návod k obsluze, údržbě a montáži výměníků tepla

Příprava materiálu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

Vysvětlivky k odborným výrazům

Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

ÚSPORY ELEKTŘINY NA POHON TOPENÁŘSKÝCH OBĚHOVÝCH ČERPADEL

POŽÁRNĚ BEZPEČNOSTNÍ ŘEŠENÍ STAVBY. k dokumentaci pro stavební povolení

Radioaktivita a ochrana před zářením

Napájení požárně bezpečnostních zařízení a vypínání elektrické energie při požárech a mimořádných událostech. Ing. Karel Zajíček

TECHNOLOGIE SKLA. Lubomír Němec

Přeplňování zážehových motorů

Měření základních vlastností OZ

Návod pro parkovací senzory ps4c3, ps4cw3, ps4c4.2, ps4cw4.2, ps4lcd, ps4flcd, ps8lcd a ps4audio

ZATÍŽENÍ SNĚHEM A VĚTREM

ZAHRADNÍ DŘEVĚNÉ DOMKY

POKYNY VLASTNOSTI LÁTEK

Transkript:

Nízké teploty M. Rotter (a L. Skrbek ) KFNT MFF UK U3V Praha 4. 1. 2010 1

Příroda 100 K 10 K 1 K 0.1 K Pokojová teplota 90.2 K O 2 Cailletet, Pictet 1877 77.3 K N 2 Wroblewski, Olszewski 1883 20.4 K H 2 Dewar 1898 4.2 K 4 He Kamerlingh Onnes 1908 3.2 K 3 He 3 He- 4 He rozpouštěcí refrigerátory Teplotní stupnice Člověk v laboratoři 10 mk 1 mk 0.1 mk 10 µk 1 µk 100 nk 10 nk Adiabatická demagnetizace (1933 Giaque, Kurti, Simon) paramegnetických solí (CMN) Jaderná demagnetizace nejnižší změřená teplota krystalické mřížky 6µK (Lancaster) 1µK (Bayreuth) Současná citlivost 50 pk (R. Duncan) můžeme měřit stárnutí Vesmíru - asi 200 pk/rok!!! Laserové chlazení Chlazení vypařováním BEC 1nK 100 pk 280 pk spinová teplota jader Cu (Helsinky)) 100 pk jádra Rh (Helsinky) 2

Vlastnosti kryogenních kapalin kapalina T b (K) T tr (K) T c (K) L(kJ/l) V g /V l O 2 90,188 54,35 154,38 245 800 N 2 77,35 63,15 126,25 160 643 n-h 2 20,38 13,95 33,19 3,8 788 He 4 4,125 ------ 5,20 2,56 700 He 3 3,191 ------ 3,31 0,48 437 T b - bod varu, T tr - trojný bod, T c - kritický bod, L - latentní teplo odpařování, V g /V l - poměr objemu páry a kapaliny 3

Metody chlazení Základní principy: kaskádní: čpavek 240 K, ethylen 169 K, methan 112 K, dusík 77 K (Keesom) - využití kryokapalin mezi T tr a T c konání vnější práce detandéry pístové, turbinové (Kapica) Joulův Thomsonův jev (izoentalpická expanze) plyn O 2 Ar N 2 Ne H 2 4 He 3 He T i (K) 770 725 620 250 204 46 39 pro efektivní chlazení T< T i /3 4

1827 Stirlingův tepelný stroj, reverzní Kirkův cyklus 1861 Používá se ke zkapalnění vzduchu, kyslíku nebo dusíku, pracovním plynem je vodík nebo helium při 2-3 MPa 5

Giffordův - MacMahonův kryogenerátor (W. E. Gifford, H. O. MacMahon 1961) Dvoustupňový kryogenerátor Sumitomo Chladicí výkon: dq/dt = Δp.V d.f regenerátory: Pb, bronzové šupiny, nově- slitiny nebo oxidy vzácných zemin T min =3,2 K, 1. stupeň: 31 W/40 K 2. stupeň: 1 W/4,2 K 6

Pulzní trubice Regenerátory: slitiny a oxidy vzácných zemin Jednostupňová trubice Iwatani T min =55 K chladicí výkon: 2 W/77 K Dvoustupňová trubice CryoMech (P. E. Gifford) T min =2,8 K 1. stupeň: 18 W/65 K 2. stupeň: 0,57 W/4,2 K 7

Jak lze těchto teplot dosáhnout? 77 K 4,2-1 K 3 He- 4 He fázový diagram a rozpouštěcí refrigerátor >2 mk 8

4 He Objeveno 1868, na Zemi 1895 (izolováno z U minerálů) Ve vzduchu je obsaženo 0,0005 at % He Zkapalněno 1908 počátek fyziky nízkých teplot Heike Kamerlingh-Onnes, Leiden (Lindeho cyklus, Jouleův- Thompsonův jev) Kapalné helium je zhruba 7krát lehčí než voda a vykazuje řadu podivuhodných fyzikálních vlastností Nezamrzá? Vynikající tepelný vodič? Teče bez vnitřního tření? Vytváří film na povrchu pevných látek?... 9

Helium 4 He 3 He 2 protony + 2 neutrony 2 protony + 1 neutron Boson Fermion Boseova Einstenova kvantová statistika Pauliho princip, Fermiho- Diracova kvantová statistika Při vysokých teplotách (300 K) BE i FD Boltzmannova statistika - oba izotopy se chovají téměř jako ideální plyn 10

Fázový diagram 4He Pevné He He I normální kapalina P (kpa) Supratekuté He II Kritický bod plyn T (K) Mezi oblastmi I a II neexistuje skupenské teplo nemohou existovat současně - fázový přechod 2. druhu Tepelná vodivost při přechodu I II vzroste 6 3 10 krát!!! He II kvantová kapalina, nezamrzá až do teploty absolutní nuly!!! 11

Lambda přechod podle charakteristického tvaru teplotní závislosti měrného tepla 12

Fontánový jev (termomechanický jev) Allen, Jones - 1938 Světlo He II 13

Supratekutý film He II 14

Dvě řešení Navierovy Sokesovy rovnice u 2 1 = p ρ s u 2 2 = ρ ρ s 2 n s T s ρ První zvuk u u = u1; s = 0; ρ 0; T = 0; v n = v s Normální zvukové vlny, šíří se v He II i v He I Druhý zvuk = u2; s 0; ρ = 0; p = 0; ρnvn = ρ v Vlny entropie (teploty) při konstantní hustotě kapaliny, normální a supratekutá složka kmitají v protifázi nemá analogii v normální kapalině s s Experiment: 1944 Peškov topení He II teploměr 15

Teplotní závislosti rychlosti šíření prvního a druhého zvuku v He II Třetí zvuk - vlny na povrchu supratekutého filmu Čtvrtý zvuk v porézním prostředí, kdy je normální složka díky konečné vazkosti přibita ke stěnám 16

Kapicovy a Andronikašviliho pokusy Dvě nezávislá rychlostní pole 17

Fonony: Rotony: v ε ph = up ε r = Δ + ( p ) p 0 2μ u = 238m/s; Δ = 8.65K; 1 p0 = 1.92 A ; μ = 0.16 m4 Landauovo kritérium supratekutosti ( x, z, y) : ε ( p) ( x, y, z ):ε ( p) = ε ( p) + pv 2 Excitace vznikne, je-li to energeticky výhodné, tj. při ( p) p v > ε / v crit ε = min ( p) p V 238 m/s fonony 60 m/s rotony rot 2 p0 + 2μΔ p0 Δ = μ 18 μ

předpovězena 1924... vytvořena 1995 A. Einstein S. Bose chlazení a kondenzace shluku atomů Boseho-Einsteinova kondenzace při 400, 200, and 50 n K 19

Adiabatická (jaderná) demagnetizace 20

nejčastěji užívané paramagnetické soli: MAS: Mn 2+ SO 4.(NH 4 ) 2 SO 4.6H 2 O T c ~0.17 K FAA: Fe 2 3+ (SO 4 ) 3.(NH 4 ) 2.24H 2 O T c ~ 0.03 K CPA: Cr 2 3+ (SO 4 ) 3.(NH 4 ) 2 SO 4.H 2 O T c ~ 10 mk CMN: 2Ce 3+ (NO 3 ) 3.3Mg(NO 3 ) 2.24H 2 O T c ~2 mk (La Ce, D H: T c ~0.42 mk) v současnosti jsou vyvíjena zařízení k chlazení v oblasti pokojových teplot s využitím giantického magneto-kalorického jevu -TbAl 2, DyAl 2, ErAgGa, Gd, Gd 5 Ge 2 Si 2, MnFe(P, As) 21

Jaderná demagnetizace nejčastěji užívané chlazení Cu63, 65 b ~ 0.3 mt θ~0.1 μk B i /T i = 300 T/K ΔS ~ 1.25 % další možnosti: V (B c = 13 mt) Nb (B c = 250 mt), Al (B c = 10 mt) In (B c = 30 mt) hyperjemné zesílení jaderných magnetckých momentů Van Vleckův paramagnetismus PrS, PrCu 6, PrNi 5 22

Pomerančukovo chlazení - adiabatická krystalizace 3He anomálie na křivce tání 3 He Clausiova-Clapeyronova rovnice dp m dt = S1 S V V 1 2 2 23

Supravodivost 1911 Heike Kamerlingh - Onnes 24

1933 Meissnerův Ochsenfeldův jev supravodič 1. druhu - ideální diamagnetikum materiál T c (K) Materiál T c (K) Nb 3 Sn 18,05 V 3 Ga 16,5 Nb 3 Ge 23,2 V 3 Si 17,1 NB 3 Al 17,5 Nb-Ti 9 supravodiče 2. druhu smíšený stav NbN 16,0 Ti 2 Co 3,44 (SN) x 0,26 La 3 In 10,4 25

1957 Bardeenova Cooperova Schriefferova teorie párování elektronů prostřednictvím výměny virtuálního bozonu - Cooperovy páry základní energetický stav slabá supravodivost - Josephsonovy jevy skvid Φ 0 = 2,05.10-15 Wb 26

Vysokoteplotní supravodiče 1986 Müller, Bednorz, Chu YBa 3 Cu 3 O 7 90 K HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 134 K 27

Měření nízkých teplot Teplota je intenzivní veličina, pro níž nelze vytvořit etalon (jako pro délku nebo hmotnost). Stanovují se teplotní stupnice s pevnými body, jejichž hodnoty se postupně zpřesňují. Mezi těmito body jsou stupnice udržovány pomocí určených čidel s předepsanými vlastnostmi. 28

Vývoj mezinárodních teplotních stupnic Absolutní termometr - chování nezávisí na volbě teploměrné látky sekundární termometry - je třeba kalibrovat 29

Provizorní stupnice využívající přechodů kovů do supravodivého stavu - vyžaduje kalibrované zařízení SRM 767 Plynový teploměr pv ( 1+ B ( T ) p + C ( T ) 2 +...) = nrt p p s rozvojem ve virialových koeficientech B p, C p Není absolutním termometrem - korekce na teplotní a výškový gradient, gradient tlaku - molekulární režim, teplotní závislost absorpce plynu p 30

Mezinárodní stupnice ITS-90 0,65 K 5,0 K tlak par 3 He a 4 He 3,0 K 24,5561 K heliový plynový teploměr kalibrovaný ve 3 pevných bodech 13,8033 K 961,78 C platinový odporový teploměr 961,78 C - Planckův vyzařovací zákon 31

Srovnání stupnic IPTS-68 a ITS-90 Započtením teplotní závislosti absorpce plynu na stěnách teploměrné baňky plynového teploměru dochází ke korekci o -26 mk při 100 C. Vztah 0 C = 273,15 K byl pevně stanoven kongresem CIPM v roce 1958. 32

Platinový odporový teploměr ( T ) R( T )/ R( 273, K ) W 16 90 = 90 Musí vyhovovat alespoň jedné z těchto podmínek:: V podoboru 13,8033 K až 273,16 K platí referenční funkce: W W ( 29,7646 C) 1,11807 ( 38,8344 C) 0, 844235 bod tání Ga trojný bod Hg ln [ W ( T )] r 90 = A 0 + 12 i= 1 A i ( T / 273,16K ) ln 90 + 1,5 i 1,5 s tabulkou 13 koeficientů A i a deviační funkce spolu s kalibračními body podle příslušného podoboru Inverzní funkce je s přesností na 0,1 mk stanovena jako: T 90 / 273,16 = B 0 + 15 i= 1 W Bi r ( T ) 90 1/ 6 0,35 i 0,65 s tabulkou 16 koeficientů B i 33

Kovové odporové teploměry Rozptyl na fononech T<< Θ R ρ T 5,T 2 V nízkých teplotách - rozptyl na příměsích - nezávisí na teplotě (T<13 K pro Pt) Mathiesenovo pravidlo Rh + 0.5 % Fe provozní platinový teploměr vliv Kondova jevu 34

Polovodičové odporové teploměry germaniové teploměry teoreticky - excitace nositelů náboje ρ ( E / kt ) Aexp Δ 2 používané kalibrační formule: ln R = m i= 0 ( ln ) a i T i Tvar závislosti podle legujících příměsí obvyklý typ zapouzdření - výměnný plyn 35

Uhlíkové odporové teploměry Komerční radiotechnické hmotové rezistory (Allen-Bradley, Speer Carbon, Matsushita) t Ke kalibraci se nejčastěji užívají Chebychevovy polynomy T ( X ) a t ( X ) = Chebychevův polynom t i = cos i i [ i. arccos( X )] může být vytvořen recursní relací ( X ) 2t ( X ) t ( X ), t = 1 t ( X ) X i + 1 = i i 1 0, 1 = i carbon glass - jemný grafit absorbovaný v porézním skle X parametr X je normalizovaná proměnná {( Z Z ) ( Z Z ) ( Z Z )} = / L Z = R nebo Z = log (R) (Z L Z U jsou dolní a horní limity Z) U U L 36

Další nekovové odporové teploměry Cernox (tenké vrstvy kovových oxi-nitridů) 0.1 420 K ROX RuO 2 (silná vrstva pasty) 10 mk 40K 37

Polovodičové diody Křemíkové diody Proud v propustném směru I = 10 μa dioda GaAs 38

Termočlánky Typ E: chromel constantan Typ K: chromel alumel Typ T: měď konstantan chromel-au/fe (0.07 %) chromel-cu/fe (0.15 %) Nevýhody: citlivost silně klesá s teplotou, vodič termočlánku představuje tepelný zkrat. Nehomogenita slitin - parazitní termo-emn 39

Děkuji vám za pozornost. 40