Konstrukcja urządzeń kriogenicznych

Transkrypt

1 Konstrukcja urządzeń kriogenicznych

2 Urządzenia kriogeniczne Zbiorniki do przechowywania i transportu cieczy kriogenicznych Urządzenia do uzyskiwania i utrzymywania niskich temperatur Podstawowy problem zabezpieczenie przed dopływem ciepła Główne mechanizmy przenoszenia ciepła: przewodnictwo cieplne promieniowanie

3 Zbiorniki do przechowywania i transportu cieczy kriogenicznych Izolacja próŝniowa J. Dewar, 1892 naczynie o podwójnych ściankach Przewodzenie nie ma nośnika, który przekazywałby ciepło z jednej powierzchni do drugiej. Ciśnienie w płaszczu próŝniowym powinno wynosić co najmniej 10-4 Tr, najlepiej rząd lub dwa niŝej 10-4 Tr = 1, mbar = 1, Pa 10-6 Tr = 1, mbar = 1, Pa

4 Promieniowanie Izolacja próŝniowa Strumień ciepła wypromieniowany przez ciało: 4 Q = σεat σ stała Stefana-Boltzmanna ε emisyjność materiału A powierzchnia promieniująca Zmniejszenia ilości wypromieniowanego ciepła: - zmniejszenie emisyjności - obniŝenie temperatury

5 Izolacja próŝniowa Zmniejszenie emisyjności warstwa obijająca promieniowanie, polerowanie powierzchni

6 Izolacja próŝniowa Zmniejszenie emisyjności przegroda odbijająca promieniowanie izolacja wielowarstwowa (Multilayer Insulation, MLI) superizolacja (super insulation) Wymagana wysoka próŝnia

7 Izolacja próŝniowa Zmniejszenie emisyjności przegroda odbijająca promieniowanie izolacja wielowarstwowa (Multilayer Insulation, MLI) superizolacja (super insulation) Wymagana wysoka próŝnia

8 Izolacja próŝniowa izolacja porowata włókno szklane, perlit, aeroŝel umiarkowana próŝnia

9 Izolacja próŝniowa Izolacja proszkowa: - zmniejszenie emisyjności rozpraszanie na ziarnach proszku - wydłuŝenie ścieŝki przewodzenia ciepła bardzo małe powierzchnie styku Szklane mikrokulki w powiększeniu 500x

10 Porównanie izolacji proszkowej z mirokulek z innymi rodzajami izolacji

11 Porównanie róŝnych rodzajów izolacji

12 Izolacja próŝniowa Zmniejszenie emisyjności poprze obniŝenie temperatury ciała gorącego płaszcz azotowy LN2 Q = σεat 4 77 K ObniŜenie temperatury powierzchni promieniującej z 300 K do 77 K zmniejsza ilość wypromieniowanego ciepła ok. 250 razy 300 K LHe 4,2 K

13 Przewodzenie ciepła wzdłuŝ szyi dewara Stosowanie materiałów o niskiej przewodności stal nierdzewna, aluminium

14 Najdogodniejszym kształtem jeśli chodzi o minimalizację parowania cieczy jest kula: największy stosunek objętości do powierzchni wytrzymałość mechaniczna Wady: Kształt zbiornika łatwo uzyskać jedynie w przypadku małych zbiorników W praktyce walec o znormalizowanych dennicach w kształcie czaszy lub elipsoidy

15 Przykład konstrukcji zbiornika helowego A wlot do dołączenia linii transferowej B, C zawory bezpieczeństwa D manometr E zawór próŝniowy F zawór do dołączenia butli z gazem (zwiększanie ciśnienia) G pochłaniacz H adsorbent I superizolacja

16 Dewary badawcze i kriostaty Jeden lub więcej koncentrycznych zbiorników otoczonych przez płaszcz próŝniowy Materiały: najczęściej stal nierdzewna wytrzymałość, łatwość łączenia z innymi metalami (miedź, mosiądz, itp.) aluminium szkło włókno szklane (fiberglass)

17 Dewar z bezpośrednim dostępem do zbiornika cieczy Do krótkotrwałego przechowywania cieczy kriogenicznych (azot) lub bezpośredniego zanurzania w niej próbek. Chłodzony azotem pochłaniacz (charcoal getter) pomaga utrzymać odpowiednią próŝnię

18 Dewar helowy

19 Dewar helowy z wsadem z gazem wymiany Zastawki odbijają promieniowanie, kierują pary helu na ścianki Gaz wymiany zapewnia sprzęŝenie termiczne próbki z kąpielą helową Przed schłodzeniem obszar próbki odpompowany WyŜsza temperatura próbki niŝsze ciśnienie gazu wymiany

20 Kriostat z optycznym dostępem do próbki

21 Kriostat przepływowy Kapilara doprowadza hel do komory próbki poprzez parownik temperatura próbki jest równa temperaturze par helu Komora próbki odizolowana od kąpieli helowej zwiększenie temperatury nie powoduje zwiększonego parowania helu MoŜliwość uzyskania temperatury 1,5K poprzez odpompowanie par helu Nie potrzeba grzejnika przy próbce

22 Systemy kriomagnetyczne z magnesami nadprzewodzącymi Pole magnetyczne jest nieocenionym narzędziem badawczym w połączeniu z niskimi temperaturami Magnesy nadprzewodzące: łatwość wytwarzanie wysokich pól magnetycznych przy niewielkich rozmiarach konieczność pracy w ciekłym helu

23 Kriostat z magnesem nadprzewodzącym Próbka umieszczona w środku cewki nadprzewodzącej gdzie jest największa jednorodność pola magnetycznego Niezbędny wskaźnik poziomu ciekłego helu i zawór bezpieczeństwa o duŝej średnicy na wypadek przejścia magnesu w stan normalny

24 Elementy kriostatu Wkład z magnesem i z próbkami są niezaleŝne od siebie Magnes nadprzewodzący utrzymywany jest na specjalnej podporze

25 Przelewanie cieczy kriogenicznych Ciekły azot na niewielkie odległości wystarczy przewód gumowy, z tworzywa sztucznego lub metalu na dłuŝsze odległości wymagana izolacja Ciekły hel specjalne przewody (linie transferowe)

26 Szczegóły konstrukcji linii do przesyłania ciekłego helu

27 Urządzenia do przelewania ciekłego helu

28 Przelewanie ciekłego helu

29 Przelewanie ciekłego helu WłoŜyć przewód najpierw do zbiornika z ciekłym helem Schłodzić przewód przy niewielkim ciśnieniu par w zbiorniku Gdy zacznie wypływać ciekły hel włoŝyć drugi koniec do kriostatu Szybkość przelewania regulowana ciśnieniem par w zbiorniku z ciekłym He Wyjmować w odwrotnej kolejności

30 System kriomagnetyczny z 3 He

31 System kriomagnetyczny z 3 He Odpompowanie obszarów próŝniowych Schłodzenie wstępne azot Usunięcie azotu wypompowanie i przedmuchanie gazowym He Nalewanie ciekłego He

32 Zasada działania skraplacza do pompy rotacyjnej zawór próŝniowy 1) schłodzić 3 He poniŝej temperatury skraplania 2) obniŝyć temperaturę wrzenia 3 He poprzez obniŝenie ciśnienia par 3) powtórzyć czynności zawór iglicowy pary ciekły 4 He 4 He gazowy 3 He płaszcz próŝniowy 4 ciekły He komora próbki 3 ciekły He ciekły 4 He

33 Magnesy nadprzewodzące Znikoma rezystancja moŝliwość przewodzenia duŝych prądów, wysokie pola magnetyczne przy małej objętości magnesu Nadprzewodniki II rodzaju NbTi, Nb 3 Sn: cienkie włókna osadzone w matrycy z miedzi Do 9 Tesli NbTi, powyŝej NbTi + Nb 3 Sn Warunki pracy poniŝej wartości krytycznych temperatury i pola magnetycznego NbTi Nb 3 Sn T c, K 9,8 18, 05 H c, T 12 przy 4,2 K 14,8 przy 1,2 K 22,1 przy 4,2 K

34 Magnesy nadprzewodzące current density (A/cm) critical J-H-T surface NbSn 3 Nb-Ti temperature (K) magnetic field (T)

35 Magnesy nadprzewodzące quench Przejście nadprzewodnika w stan normalny: miejscowe wydzielenie ciepła I 2 R (prądy w uzwojeniach rzędu A) obszar rezystywny rozprzestrzenia się aŝ do chwili gdy: a) cała energia zostanie rozproszona b) cały magnes przejdzie w stan normalny c) odpowiednie chłodzenie powstrzyma propagację strefy normalnej Zjawisko niekorzystne i niebezpieczne

36 Magnesy nadprzewodzące quench

37 Magnesy nadprzewodzące quench Energia zgromadzona w magnesie: E = ½ LI 2 L indukcyjność, kilkadziesiąt H I prąd w uzwojeniu, kilkadziesiąt A W typowych magnesach laboratoryjnych jest to kilka do kilkuset kj Napięcie na zaciskach cewki: U = L di/dt, niebezpieczeństwo uszkodzenia izolacji przez wysokie napięcie

38 Magnesy nadprzewodzące Siły działające w magnesie: F = I przyciąganie dwóch sekcji cewki dzielonej odpychanie zwojów w cewce dąŝenie do zwiększenia średnicy zwoju Minimalny ruch zwoju moŝe spowodować wydzielenie ciepła na skutek tarcia trenowanie magnesu Magnesy zapuszkowane w Ŝywicy, materiale ceramicznym lub innym B

39 Magnesy nadprzewodzące tryb pracy persistent Praca bez zasilania prąd krąŝy zamknięty w cewce Nie ma rozpraszania ciepła w uzwojeniach Wyłącznik nadprzewodzący (persistent switch): łączy końce cewki po ogrzaniu ma duŝą rezystancję ładowanie cewki zimny zamyka prąd w cewce

40 Magnesy nadprzewodzące tryb pracy persistent Dwie zasadnicze zalety trybu persistent: zredukowanie ciepła doprowadzanego do kriostatu wyłączenie zasilacza powoduje, Ŝe nie w przewodach zasilających nie wydziela się ciepło Joule a moŝliwość całkowitego odłączenia przewodów nie ma przewodzenia ciepła wzdłuŝ przewodów bardzo dobra stabilność pola magnetycznego H = H 0 e -T/t gdzie T = L/R stała czasowa

41 Magnesy nadprzewodzące przewody zasilające magnes Łączą obszary o temp. 300 K i 4 K Wykluczające się właściwości duŝa przewodność elektryczna mała przewodność cieplna Odpowiednia konstrukcja zapewniająca dobre chłodzenie: wiązka przewodów przepływ par helu wewnątrz przewodu

42

43 Zasilacze magnesów nadprzewodzących Odpowiednia wydajność prądowa ( A) Układy zabezpieczające (np. diody) i absorbujące energię Ładowanie magnesu z odpowiednią szybkością (current rate) maksymalna szybkość ładowania określona przez indukcyjność cewki i dopuszczalne napięcie: U = L di/dt, di/dt = U/L Pomiar napięcia na zaciskach magnesu Zmiana kierunku prądu