POŻYTKI Z NISKICH TEMPERATUR czyli dlaczego „na zimno” …kriogen/Wyklady/DFN/DFN.pdf · Dolnośląski Festiwal Nauki Wrocław 16.09.2005 Jonathan Swift , Podróże Guliwera,

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


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


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


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


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)

)


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)


Karola Olszewskiego i Zygmunt Karola Olszewskiego i Zygmunt WróblewskiWróblewski18831883

1846-19151845-1888


DewarDewar i jego „termosy”i jego „termosy”18981898

1842-1923


HeikeHeike KamerlinghKamerlingh OnnesOnnes i jego „browar”i jego „browar”19081908

1853-1926


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


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).


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


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


Kriogeniczne izolacje termiczne Kriogeniczne izolacje termiczne Ciekły

gaz

Zbiornikzewnętrzny

Zbiornikwewnętrzny

Przestrzeńpróżniowa

A A

Izolacja próżniowa

Wielowarstwowa izolacja próżniowa

Izolacja proszkowo - próżniowa


REKTYFIKACJAPOWIETRZA


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 -


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'


Podwójna kolumna Lindego z Podwójna kolumna Lindego z kolumną argonowąkolumną argonową

Tlen

Azot

Argon

z1

z2

z3

z4

Powietrze

1

2

3

4


Instalacja rektyfikacji powietrzaInstalacja rektyfikacji powietrza


KRIO - MEDYCYNA


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


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


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


KriosaunaKriosauna

Jednoosobowa komoraJUKA Niepołomice


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


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


Przykłady zabiegów kriochirurgicznychPrzykłady zabiegów kriochirurgicznych

Wymrażanie nowotworu wątroby

Wymrażanie zmian skórnych

http://images.google.pl/imgres?imgurl=http://www.livercancer.com/treatments/images/cryo.jpeg&imgrefurl=http://www.livercancer.com/treatments/cryosurgery.html&h=250&w=360&sz=23&tbnid=1CMHeNwctQMJ:&tbnh=81&tbnw=117&hl=pl&start=2&prev=/images%3Fq%3Dcryosurgery%26svnum%3D10%26hl%3Dpl%26lr%3D%26sa%3DN

http://images.google.pl/imgres?imgurl=http://www.aafp.org/afp/20011215/afpj4142.gif&imgrefurl=http://www.aafp.org/afp/20011215/1987.html&h=193&w=232&sz=17&tbnid=RUt5S8JE-gMJ:&tbnh=85&tbnw=103&hl=pl&start=18&prev=/images%3Fq%3Dcryosurgery%26svnum%3D10%26hl%3Dpl%26lr%3D%26sa%3DN


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


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.


NADPRZEWODNICTWOBADANIA NAUKOWE


Odkrycie nadprzewodnictwa rtęci 1911 r.Odkrycie nadprzewodnictwa rtęci 1911 r.


Porównanie nadprzewodnika z Porównanie nadprzewodnika z przewodem miedzianymprzewodem miedzianym


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

http://images.google.pl/imgres?imgurl=http://www.die.ing.unibo.it/Labs/SC/attivi/edms2_file/image006.gif&imgrefurl=http://www.die.ing.unibo.it/Labs/SC/attivi/edms2.htm&h=195&w=528&sz=51&tbnid=3DjszL3h1AwJ:&tbnh=47&tbnw=129&hl=pl&start=1&prev=/images%3Fq%3Dsuperconducting%2BRutherford%2Bcable%26svnum%3D10%26hl%3Dpl%26lr%3D%26sa%3DG


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


Struktura nadprzewodnika B2223Struktura nadprzewodnika B2223


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.


Prototypowy nadprzewodzący kabelPrototypowy nadprzewodzący kabel


Efekt MeissneraEfekt Meissnera


MAGLEV MAGLEV traintrain ShanghaiShanghai


Fizyka wysokich energii Fizyka wysokich energii ––akceleratory, czyli najbardziej akceleratory, czyli najbardziej dokładne mikroskopydokładne mikroskopy


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


Jak „widzimy” coraz mniejsze obiektyJak „widzimy” coraz mniejsze obiekty

Energia 0.1 eV

10-6 m 10-8 m10-2 m


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


Co chcemy zobaczyćCo chcemy zobaczyć

Bozon

Higgsa

10-20 m (???)

10 TeV


Jak dziaJak działła akceleratora akcelerator

Źródło cząstek

Elektrody przyspieszające Pole odchylające Detektor


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


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


CERN CERN –– zdjęcie satelitarnezdjęcie satelitarne


Podziemny kompleks akceleratorów w CERNPodziemny kompleks akceleratorów w CERN


Nadprzewodzące wnęki rezonansowe Nadprzewodzące wnęki rezonansowe ––przyspieszanie cząstekprzyspieszanie cząstek

http://images.google.pl/imgres?imgurl=http://www.ligo-la.caltech.edu/~coles/cornell/closeup%2520of%2520superconducting%2520RF%2520cavity.jpg&imgrefurl=http://www.ligo-la.caltech.edu/~coles/cornell/&h=1920&w=2560&sz=1159&tbnid=zLE7a7bBWwgJ:&tbnh=112&tbnw=150&hl=pl&start=14&prev=/images%3Fq%3DRF%2Bsuperconducting%2Bcavity%26svnum%3D10%26hl%3Dpl%26lr%3D%26sa%3DG


Dipolowe magnesy nadprzewodzące Dipolowe magnesy nadprzewodzące pracujące w temperaturze 1.9 Kpracujące w temperaturze 1.9 K


Przekrój przez magnes Przekrój przez magnes nadprzewodzacynadprzewodzacyNbTiNbTi, temperatura pracy 1,8 K, pole 9 T, temperatura pracy 1,8 K, pole 9 T


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


Montaż akceleratora LHC, wrzesień 2005Montaż akceleratora LHC, wrzesień 2005


Prototypowy odcinek akceleratora LHCPrototypowy odcinek akceleratora LHC


Detektor ATLAS w CERNDetektor ATLAS w CERN


Symulacja rozpadu Symulacja rozpadu HiggsaHiggsa w w ATLASieATLASie


Dziękuję za uwagęDziękuję za uwagę

POŻYTKI Z NISKICH TEMPERATUR czyli dlaczego „na zimno” …kriogen/Wyklady/DFN/DFN.pdf · Dolnośląski Festiwal Nauki Wrocław 16.09.2005 Jonathan Swift , Podróże Guliwera,

Documents