POŻYTKI Z NISKICH TEMPERATUR czyli dlaczego „na zimno” …kriogen/Wyklady/DFN/DFN.pdf ·...
Transcript of POŻYTKI Z NISKICH TEMPERATUR czyli dlaczego „na zimno” …kriogen/Wyklady/DFN/DFN.pdf ·...
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
POŻYTKI Z NISKICH TEMPERATURPOŻYTKI Z NISKICH TEMPERATURczyliczyli
dlaczego „na zimno” widzimy więcej dlaczego „na zimno” widzimy więcej
Maciej CHOROWSKI
POLITECHNIKA WROCŁAWSKAWydział Mechaniczno-Energetyczny
Zakład Kriogeniki i Technologii Gazowych
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
O czym rozmawiamyO czym rozmawiamy
1. Temperatura, energia, kriogenika, rys historyczny
2. Skroplone gazy3. Niskie temperatury w medycynie 4. Nadprzewodnictwo5. Akceleratory cząstek – najbardziej
precyzyjne mikroskopy
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Temperatura i energiaTemperatura i energia
Temperatura jest proporcjonalna do energii kinetycznej molekuł
kTE ≈~gdzie k jest stałą Boltzmanna, k = 1,38 10-23 , JK-1, a T temperaturą termodynamiczną (bezwzględną) ciała
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Zauważmy, że jeżeli temperatura jest miarą energii ruchów cieplnych ciała, to właściwie moglibyśmy się obyć bez wprowadzenia specjalnej jednostki do jej określania. Wyrażanie jednak w dżulach typowych temperatur spotykanych w życiu codziennym byłoby bardzo niewygodne, np. temperatura ciała ludzkiego (36,6 oC) byłaby równa 427,455 10-23 J
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Zgodnie z konwencją przyjętą Zgodnie z konwencją przyjętą przez Międzynarodowy Instytut przez Międzynarodowy Instytut Chłodnictwa, kriogenika oznacza Chłodnictwa, kriogenika oznacza metody uzyskiwania temperatur metody uzyskiwania temperatur poniżej 120 Kponiżej 120 Ksłowo to pochodzi z języka słowo to pochodzi z języka greckiego:greckiego:kruoskruos –– zimnozimnogenosgenos –– tworzenietworzenie
W tak niskich temperaturach:W tak niskich temperaturach:
--przejawiają się nowe własności przejawiają się nowe własności materii (skroplenie gazów materii (skroplenie gazów trwałych, nadciekłość i trwałych, nadciekłość i nadprzewodnictwo)nadprzewodnictwo)
--ulegają spowolnieniu bądź ulegają spowolnieniu bądź zatrzymaniu wszelkie reakcjezatrzymaniu wszelkie reakcje
--zmniejsza się nieuporządkowanie zmniejsza się nieuporządkowanie substancji, znikają szumy substancji, znikają szumy ((krioelektronikakrioelektronika)
T, K
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
1
10
10
10
10
10
10
10
10
10
9
8
7
6
5
4
3
2
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
wnętrze najgorętszych gwiazd
reakcje fuzji wodoru
wnętrze Słońca
korona słoneczna
zjonizowana materia (plazma)
powierzchnia Słońcawłókno żarówkitemperatura topnienia żelazaturbina parowaprocesy biologicznenadprzewodnictwo wysokotemperaturowetemperatura wrzenia azotu
temperatura wrzenia helu 4temperatura wrzenia helu 3przejście w stan nadciekły helu 4
nadprzewodnictwo w wolframie (W)
przejście w stan nadciekły helu 3magnetyczne uporządkowanie w stałym helu 3
nadprzewodnictwo w rodzie (Rh)
najniższa osiągalna temperatura w całej objętości próbki
najniższa osiągalna temperatura jądra miedzi (Cu)
kondensat Bosego - Einsteina
TEM
PER
ATU
RY
KR
IOG
ENIC
ZNE
BAR
DZO
WYS
OKI
E TE
MPE
RAT
UR
Y
nadprzewodnictwo NbTi (9.6 K)
)
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Rys historyczny kriogenikiRys historyczny kriogeniki1883 Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski skraplają
powietrze, tlen i azot (77 K)1898 James Dewar stosuje izolację próżniową i skrapla wodór
(20,3 K)1908 Kammerlingh Onnes skrapla hel (4,2 K) i odkrywa
nadprzewodnictwo w rtęci w 1911 roku1950 Collins uruchamia seryjną produkcję skraplarek helu1986 Bednorz i Mueller odkrywają nadprzewodnictwo
wysokotemperaturowe (obecnie 135 K)2007 Przewidywane uruchomienie nadprzewodzącego
akceleratora LHC w Genewie (ponad 2000 nadprzewodzących magnesów o łącznej długości 30 km)
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Karola Olszewskiego i Zygmunt Karola Olszewskiego i Zygmunt WróblewskiWróblewski18831883
1846-19151845-1888
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
DewarDewar i jego „termosy”i jego „termosy”18981898
1842-1923
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
HeikeHeike KamerlinghKamerlingh OnnesOnnes i jego „browar”i jego „browar”19081908
1853-1926
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Własności cieczy kriogenicznych Własności cieczy kriogenicznych Ciecz M
[g]TN
[K]ρ1
[kg/m3
]
ρ2[kg/m3
]
ρ3[kg/m3
]
TC
[K]PC
[MPa]∆HV
[kJ/kg]
V2 / V1
----V3 / V1
----
He 4,003 4,24,2 124,9 16,91 0,178 5,2 0,229 20,3 7,4 701
H2 2,01 20,320,3 70,81 1,34 0,089 33,04 1,29 446,0 52,8 788
Ne 20,18 27,1727,17 1207 9,58 0,90 44,5 2,73 85,8 126,0 1341
N2 28,01 77,377,3 808 4,62 1,25 126,2 3,39 199,0 175,0 646
O2 32,00 9090,2,2 1140 4,47 1,43 154,6 5,04 213,0 255,0 797
CH4 32,00 111,6111,6 423 1,82 0,717 190,5 4,60 510,0 232,0 590
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Jonathan Swift , Podróże Guliwera, 1726Jonathan Swift , Podróże Guliwera, 1726
Jedni z tych pracowników naukowych napełniali powietrzem ogromne, skórzane wory, a następnie z nagła na nich siadali, gwałtownie je ugniatając... Sztukmistrz generalny wyjaśnił nam krótko, że pierwsi z jego asystentów zajmowali się zgęszczaniem powietrza, aby uczynić z niego substancję twardą jak kamień. (Podróże Guliwera, wg Jonathana Swifta opracowali Jacek Bocheński i Marian
Brandys, Nasza Księgarnia, 1967).
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Skraplarka Skraplarka Joule’aJoule’a –– Thomson’aThomson’a
1'2
3
4
5
LN2
K
p1
p2
12T
S
1'
3
45
i1
i2
i3
Wpływ gazu o wysokim ciśnieniu
Wymiennik ciepła
Zawór J-T
Obieg na wykresie T-S Schemat budowy
SPRĘŻARKA
Widok
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Skraplarka helu zainstalowana w CERN przy Skraplarka helu zainstalowana w CERN przy akceleratorze LEP (12 akceleratorze LEP (12 kWkW na poziomie 4.5 K)na poziomie 4.5 K)
Widok „cold box”Obieg na wykresie T-S Schemat budowy
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Kriogeniczne izolacje termiczne Kriogeniczne izolacje termiczne Ciekły
gaz
Zbiornikzewnętrzny
Zbiornikwewnętrzny
Przestrzeńpróżniowa
A A
Izolacja próżniowa
Wielowarstwowa izolacja próżniowa
Izolacja proszkowo - próżniowa
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Składniki powietrzaSkładniki powietrzaSkładnik Udział objętościowy w
% Udział masowy
w % Tlen 20,93 23,1 Azot 78,03 75,6
Dwutlenek węgla 0,03 0,046 Argon 0,932 1,2862 Wodór 5·10-5 3,6·10-6
Neon 1,5·10-2 1,2·10-3
Hel 5·10-1 7·10-5
Krypton 1·10-4 3·10-4
Ksenon 0,9·10-5 4·10-5
Radon 6·10-18 -
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Równowaga fazowa mieszaniny binarnejRównowaga fazowa mieszaniny binarnej
10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
Tem
pera
tura
Czysta A Czysta BMieszanina, % B
a
bc
b'
c'
a'
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Podwójna kolumna Lindego z Podwójna kolumna Lindego z kolumną argonowąkolumną argonową
Tlen
Azot
Argon
z1
z2
z3
z4
Powietrze
1
2
3
4
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Instalacja rektyfikacji powietrzaInstalacja rektyfikacji powietrza
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Temperatury kriogeniczne w medycynieTemperatury kriogeniczne w medycynie
KRIOMEDYCYNA
KRIOTERAPIA KRIOSTYMULACJA
KRIOCHIRURGIAKRIODESTRUKCJA
PRZECHOWYWANIEPREPARATÓW
BIOLOGICZNYCH
Cel:Wywołanie i wykorzystanie fizjologicznych reakcji organizmu na zimno
Cel:Miejscowe, kontrolowane niszczenie komórek chorobotwórczych
Cel:Spowolnienie reakcji biochemicznych
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
KrioterapiaKrioterapia
Krioterapia lub kriostymulacja - działania lecznicze mające na celu obniżenie temperatury powierzchni ciała w krótkim czasie 120 – 180 s.
Działanie zimna nie powoduje destrukcji tkanek.
Celem zabiegu krioterapeutycznego jest wywołanie i wykorzystanie fizjologicznych reakcji organizmu na zimno a także wspomaganie leczenia podstawowego i ułatwienie leczenia ruchem.
KRIOTERAPIA
MIEJSCOWA OGÓLNOUSTROJOWA
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
KriokomoraKriokomorawolnostojącawolnostojąca
WY
MIE
NN
IK C
IEPŁA
PRZEDSIONEK KOMORA WŁAŚCIWA
WYMIENNIK CIEPŁA
210 K (- 60 C) 110 K / 150 K(- 120 C / - 160 C)
AzotPowietrze
N2
ZBIORNIKCIEKŁEGO AZOTU
SPRĘŻARKAPOWIETRZA
WSTĘPNEFILTRY
POWIETRZA
KRIOOCZYSZCZALNIKI
FILTRPOWIETRZA
OS
US
ZAC
Z P
OW
IETR
ZA
Komora CR-2002 CREATOR Wrocław
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
KriokomoryKriokomoryRok Ilość nowych Suma
1988 0 0
1989 1 1
1990 1 2
1991 0 2
1992 0 2
1993 0 2
1994 0 2
1995 1 3
1996 0 3
1997 0 3
1998 1 4
1999 0 4
2000 3 7
2001 4 11
2002 8 19
2003 10 29
1978 – pierwsza kriokomora na świecie (Japonia)1989 – pierwsza kriokomora w Polsce
(druga w Europie, trzecia na świecie)
1989 2003
30
19781
20
10
40
Rok
Licz
ba k
rioko
mór
w P
olsc
e
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
KriochirurgiaKriochirurgia
Zabieg kriochirurgiczny (kriodestrukcja) polega na miejscowym, kontrolowanym niszczeniu komórek objętych zmianami chorobowymi poprzez działanie na nie niskimi temperaturami.
METODY ZABIEGÓW KRIOCHIRURGICZNYCH
Bezpośrednie odparowanie Metoda natryskowa Metoda kontaktowa
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Przykłady zabiegów kriochirurgicznychPrzykłady zabiegów kriochirurgicznych
Wymrażanie nowotworu wątroby
Wymrażanie zmian skórnych
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Proces narastania kuli lodowej Proces narastania kuli lodowej –– symulacja symulacja zabiegu kriochirurgicznegozabiegu kriochirurgicznego
Czas: 0 s 10 s 20 s 40 s
Czas: 80 s 100 s 160 s 220 s
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
DiagnostykaDiagnostyka
Zjawisko rezonansu magnetycznego polega na wykrywaniu protonów w badanym narządzie. Silne pole elektromagnetyczne generowane przez magnes nadprzewodzący pobudza protony do wysyłania promieniowania elektromagnetycznego. Zjawisko to pozwala na uzyskiwanie kolorowych, trójwymiarowych obrazów wybranych przekrojów (warstw) narządu.
Badanie wykonuje się tomografem NMR. Rezonans przeprowadza się między innymi w celu rozpoznania zmian nowotworowych i oceny ich zaawansowania oraz u osób z chorobą Alzhaimera.
Magnesy nadprzewodzące tomografów NMR kriostatowane są jest ciekłym helem.
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Odkrycie nadprzewodnictwa rtęci 1911 r.Odkrycie nadprzewodnictwa rtęci 1911 r.
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Porównanie nadprzewodnika z Porównanie nadprzewodnika z przewodem miedzianymprzewodem miedzianym
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Temperatury krytyczne nadprzewodników Temperatury krytyczne nadprzewodników niskotemperaturowychniskotemperaturowych
Al 1,2 KIn 3,4 KSn 3,7 KHg 4,2 KTa 4,5 KV 5,4 KPb 7,2 K
NbTi 9,6 KKabel wykonany z nadprzewodnika NbTi
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Temperatury krytyczne Temperatury krytyczne TTkk wybranych wybranych nadprzewodników wysokotemperaturowych (HTS)nadprzewodników wysokotemperaturowych (HTS)
Rodzina nadprzewodników Nadprzewodnik Temperatura krytyczna, K
YBCO (itr-bar-miedź-tlen) YBa2Cu3Ox (Y-123) 92 BSCCO (bizmut-stront-wapń-miedź-tlen) Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi-2212)
Bi2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223)85 110
TBCCO (tal-bar-wapń-miedź-tlen) TlBa2Ca2CuOx (Tl-1221) Tl2Ba2Ca2Cu3Ox (Tl-2223)
122 125
HBCCO (rtęć-bar-wapń-miedź-tlen) HgBa2CuOx (Hg-1201) HgBa2CaCu2Ox (Hg-1212) HgBa2Ca2Cu3Ox (Hg-1223)
94 117 135
Nadprzewodniki HTS mogą być ziębione ciekłym azotem, tanim i łatwo dostępnym
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Struktura nadprzewodnika B2223Struktura nadprzewodnika B2223
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
SchematSchemat nadprzewodzącego nadprzewodzącego kablakabla HTSHTS
Schemat nadprzewodzącego kabla
Nadprzewodzące taśmy B2223 nawinięte są spiralnie na karbowany rdzeń wewnątrz którego przepływa ciekły azot. Nstępnie taśmy pokryte są izolacją elektryczną i cieplną. Odbiór ciepła od taśm następuje przez ściankę rdzenia. Przpływający przez rdzń azot może być dwufazowy (ziębienie izotermiczne) bądź jednofazowy w postaci cieczy przchłodzone (wzdłuż kabla występuje gradient temperatury). Natężenie przepływu azotu przez kabel musi być tak dobrane, aby w żadnym punkcie nie występowały osuszenie rdzenia i lokalny wzrost temperatury.
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Prototypowy nadprzewodzący kabelPrototypowy nadprzewodzący kabel
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Fizyka wysokich energii Fizyka wysokich energii ––akceleratory, czyli najbardziej akceleratory, czyli najbardziej dokładne mikroskopydokładne mikroskopy
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Dlaczego do „zobaczenia” małych Dlaczego do „zobaczenia” małych obiektów potrzebujemy akceleratorówobiektów potrzebujemy akceleratorów
2mcE = Związek masy i energii
m – masa, c – prędkość światła
hfE = Związek częstotliwości fali i energii
h – stała Plancka, f - częstotliwość
L=c/f E=(hc)/L Związek energii E i długości fali L
Im mniejsze obiekty obserwujemy tym krótszych fal potrzebujemy aby je „oświetlić”, tym większymi energiami musimy dysponować
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Jak „widzimy” coraz mniejsze obiektyJak „widzimy” coraz mniejsze obiekty
Energia 0.1 eV
10-6 m 10-8 m10-2 m
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Jak „widzimy” coraz mniejsze obiektyJak „widzimy” coraz mniejsze obiekty
Energia 1 eV Energia 1.0 MeV Energia 100 GeV
10-10 m
atom węgla
10-14 m
jądro atomu węgla10-17 m
„widoczne” kwarki
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Co chcemy zobaczyćCo chcemy zobaczyć
Bozon
Higgsa
10-20 m (???)
10 TeV
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Jak dziaJak działła akceleratora akcelerator
Źródło cząstek
Elektrody przyspieszające Pole odchylające Detektor
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
NajsilnieszeNajsilniesze akceleratoryakceleratory
Najwyższe osiągane energie to trochę ponad 100 GeV w przypadku wiązek elektronów i pozytonów (akcelerator LEP w CERN) oraz 1 TeV w przypadku wiązek protonów i antyprotonów (akcelerator Tevatron w Fermilab)Obecnie budowany akcelerator LHC będzie miał energię w centrum zderzeń 14 TeV
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
CERN z lotu ptaka CERN z lotu ptaka Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN w Genewie prowadzi badania w zakresie fizyki wysokich energii.W celu przyspieszenia czastek do prędkości bliskich prędkości światła budowane są wielokilometrowe akceleratory
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Podziemny kompleks akceleratorów w CERNPodziemny kompleks akceleratorów w CERN
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Nadprzewodzące wnęki rezonansowe Nadprzewodzące wnęki rezonansowe ––przyspieszanie cząstekprzyspieszanie cząstek
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Dipolowe magnesy nadprzewodzące Dipolowe magnesy nadprzewodzące pracujące w temperaturze 1.9 Kpracujące w temperaturze 1.9 K
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Przekrój przez magnes Przekrój przez magnes nadprzewodzacynadprzewodzacyNbTiNbTi, temperatura pracy 1,8 K, pole 9 T, temperatura pracy 1,8 K, pole 9 T
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Akcelerator LHC w tunelu, koniec Akcelerator LHC w tunelu, koniec 2007 rok2007 rok
Ponad 2000 nadprzewodzących magnesów o łącznej długości 27 km.
Całkowita masa helu 100 ton
Temperatura pracy 1,8 K
Energia 14 TeV
Cząstki: protony
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Montaż akceleratora LHC, wrzesień 2005Montaż akceleratora LHC, wrzesień 2005
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Prototypowy odcinek akceleratora LHCPrototypowy odcinek akceleratora LHC
Dolnośląski Festiwal NaukiWrocław 16.09.2005
Symulacja rozpadu Symulacja rozpadu HiggsaHiggsa w w ATLASieATLASie