Magnesy nadprzewodzące

Transkrypt

1 Magnesy nadprzewodzące

2 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

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

4 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

5 Magnesy nadprzewodzące quench

6 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

7 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

8 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

9 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

10 Magnesy nadprzewodzące przewody zasilająca 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

11

12 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

13 Pomiary temperatury

14 Temperatura Jedna z podstawowych wielkości w fizyce i technice Decyduje o kierunku i szybkości przekazywania ciepła Ma taką samą wartość w dwóch ciałach pozostających z sobą w kontakcie i będących w równowadze termodynamicznej

15 Pomiary temperatury - historia II w p.n.e., Galen cztery stopnie zimna, cztery stopnie gorąca, stopień zerowy ok. 1600, Galileusz termoskop

16 Pomiary temperatury - historia ok. 1650, Florencka Akademia Nauk termometr, bez wartości liczbowych 1669, H. Fabri propozycja stałych punktów termometrycznych: temperatura śniegu i temperatura największego upału w lecie 1693, C. Rinaldini temperatura topniejącego lodu i wrzącej wody

17 Pomiary temperatury - historia Skala Fahrenheita: F mieszanina wody, lodu i chlorku amonu lub soli 100 F temperatura Ŝony F mieszanina wody, lodu i chlorku amonu lub soli 32 F mieszanina wody i lodu

18 Pomiary temperatury - historia 1742, skala Celsjusza: 100 C temperatura topnienia lodu 0 C temperatura wrzenia wody podział przedziału na 100 części 1850 odwrócenie skali (Linneusz, Stromer): 0 C temperatura topnienia lodu 100 C temperatura wrzenia wody

19 Pomiary temperatury - historia 1702, G. Amontons koncepcja termometru gazowego, zero bezwzględne temperatura gazu jest proporcjonalna do ciśnienia gazu odpowiednie obniŝenie temperatury doprowadzi do zaniku ciśnienia

20 Pomiary temperatury - historia temperatura ciśnienia zerowego jest taka sama dla wielu róŝnych gazów podstawa skali Kelvina: 1 C = 1 K = T 3(H2O) /273,16 temperatura topnienia lodu T topn (H2O) = 0 C = 273,15 K T 0 = 0 K = -273,15 C

21 Skale temperatury Teoria: punkt zerowy + sprawność odwracalnego cyklu Carnota Praktyka: punkt zerowy + stałe punkty Punkty stałe: punkty wrzenia punkty zamarzania punkty potrójne punkty przejść nadprzewodzących punkty przejść nadpłynnych

22 Skale temperatury Punkt potrójny przecięcie krzywej parowania, sublimacji i topnienia Tylko jedna wartość ciśnienia i temperatury

23 Skale temperatury Skale obowiązujące poprzednio: ITS-27, The International Temperature Scale of 1927 ITS-48, The International Temperature Scale of 1948 IPTS-48, The International Practical Temperature Scale of 1948 (zmodyfikowana w r. 1960) IPTS-68, The International Practical Temperature Scale of 1968 EPT-76, The 1976 Provisional 0,5 to 30 K Temperature Scale

24 Skala ITS-90 The International Temperature Scale 1990 Od 0,65 K do najwyŝszej temperatury mierzalnej przy wykorzystaniu prawa promieniowania Plancka 0,65 3,2 K: zaleŝność ciśnienia par 3 He od temperatury 1,25 2,1768 K: zaleŝność ciśnienia par 4 He od temperatury poniŝej punktu lambda 2, K: zaleŝność ciśnienia par 4 He od temperatury powyŝej punktu lambda

25 Punkty stałe skali ITS-90 Lp Temperatura, K Substancja Stan równowagi T 90 /K t 90 / C 1 3 do 5-270,15 do -268,15 He ciśnienie par 2 13, ,3467 e-h 2 punkt potrójny ,15 e-h 2 (lub He) ciśnienie par 4 20,3-252,85 e-h 2 (lub He) ciśnienie par 5 24, ,5939 Ne punkt potrójny 6 54, ,7916 O 2 punkt potrójny 7 83, ,3442 Ar punkt potrójny 8 234, ,8344 Hg punkt potrójny 9 273,16 0,01 H 2 O punkt potrójny , ,7646 Ga punkt topnienia , ,5985 In punkt zamarzania , ,928 Sn punkt zamarzania , ,527 Zn punkt zamarzania , ,323 Al punkt zamarzania ,93 961,78 Ag punkt zamarzania , ,18 Au punkt zamarzania , ,62 Cu punkt zamarzania

26 Skala PLTS-2000 The New Provisional Low-Temperature Scale Rozszerzenie skali ITS-90 w zakresie 0,9 mk-1k Oparta na termodynamicznych właściwościach 3 He, szczególnie na krzywej topnienia Punkty charakterystyczne: minimum krzywej topnienia przejście nadpłynne typu A przejście nadpłynne typu B jądrowe przejście magnetyczne stałego 3 He 2, MPa 3, MPa 3, MPa 3, MPa 315,24 mk 2,444 mk 1,896 mk 0,902 mk

27 Krzywa topnienia 3 He Skala PLTS-2000

28 ITS-90 i PLTS-2000 Stałe punkty i przyrządy uŝywane do interpolacji w róŝnych przedziałach temperatury skali ITS-90 i PLTS-2000

29 Inne punkty stałe stosowane w praktyce Punkty skali EPT-76 Przejście nadpłynne ciekłego 4 He Temperatury przejść nadprzewodzących

30 Termometry Termometr urządzenie dostarczające na swoim wyjściu mierzalnej wielkości zmieniającej się z temperaturą w powtarzalny sposób Termometry pierwotne moŝna napisać równanie stanu bez niewiadomych zaleŝnych od temperatury duŝe, drogie, niewygodne w uŝyciu, długi czas odpowiedzi

31 Termometry Termometry wtórne wszystkie pozostałe nie moŝna wyznaczyć temperatury bezpośrednio na podstawie ich wielkości wyjściowej, wymagają kalibracji wygodniejsze w uŝyciu często mają znacznie większą czułość

32 Termometry wymagania szeroki zakres operacji i niewraŝliwość na oddziaływanie środowiska, np. pole magnetyczne, promieniowanie wielkość wyjściowa x mierzona łatwo, szybko, powtarzalnie, dostępna w eksperymencie zaleŝność temperaturowa x(t) wyraŝona w miarę prostym prawem duŝa czułość ( x/x)/( T/T) krótki czas osiągania równowagi mała pojemność cieplna, dobra przewodność cieplna, dobry kontakt termiczny z otoczeniem jak najmniejsza ilość ciepła wydzielana w trakcie pomiaru

33 Termometry pierwotne termometry gazowe Równanie gazu doskonałego: pv = nrt p ciśnienie, V objętość, n liczba moli gazu, R stała gazowa, T temperatura Gaz rzeczywisty: pv = nrt(1+ b(t)n/v + c(t)(n/v) ) b(t), c(t) współczynniki wirialne

34 Termometry pierwotne termometry gazowe Termometr ze stałą objętością gazu, CVGT (Constant Volume Gas Thermometer) Termometr o stałym ciśnieniu gazu, CPGT (Constant Pressure Gas Thermometer

35 ZaleŜność prędkości dźwięku w gazie od temperatury γ = C p /C v Termometr gazowy akustyczny Gaz rzeczywisty υ s = (γrt/m) 2 wykładnik adiabatyczny, M masa molowa υ s = υ 0 (1 + αp + βp ) Dwie metody pomiaru: interferometr cylindryczny, stała częstotliwość, zmienna ścieŝka rezonator sferyczny, stała ścieŝka, zmienna częstotliwość

36 Termometr gazowy z pomiarem stałej dielektrycznej Zamiana gęstości na stałą dielektryczną w równaniu stanu i jej pomiar poprzez włączenie kondensatora ε = ε 0 + α 0 N/V ε 0 stała, α 0 statyczna elektryczna polaryzowalność Równanie stanu p = kt(ε ε 0 )/α 0 Zaleta brak kłopotliwego określania gęstości (gaz o innej temperaturze w martwych przestrzeniach, adsorpcja)

37 Termometry szumowe ZaleŜność od temperatury wartości średniej kwadratowej napięcia szumów w rezystorze U 2 = 4kTR f f «kt/h, R niezaleŝna od częstotliwości rezystancja, f pasmo częstotliwości, h stała Plancka W praktyce porównanie napięcia szumów zmierzonych w nieznanej temperaturze z pomiarem w temperaturze odniesienia: T = T 0 U U 2 T ( ) ( ) 2 T R T0 0 R T

38 Termometry szumowe S przełącznik; A1, A2 wzmacniacze; V r skwantowane napięcia z efektu Josephsona

39 Termometry szumowe Trudności: niski poziom sygnału, np.: R = 100Ω, T = 300K, f = 100 khz napięcie szumów ok. 4 µv rms konieczna eliminacja innych źródeł szumu długi czas pomiaru PoniŜej 1K termometr szumowy + SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)

40 Termometry magnetyczne Magnetyczna polaryzacja jądrowa Nuclear Orientation Thermometer (NO) Pomiar magnetycznej polaryzacji jądrowej radioaktywnych jąder 60 Co 60 Ni + γ Promienie γ emitowane w określonym kierunku wzdłuŝ osi obrotu jądra ObniŜanie temperatury powoduje polaryzację jąder w rozkładzie przestrzennym promieniowanie pojawiają się tzw. węzły wzdłuŝ jednej osi kryształu

41 Termometry magnetyczne Nuclear Orientation Thermometer Zakres pracy typowo od kilku do ok. 50 mk Długi czas pomiaru typowo 1000 s przy dokładności 1%

42 Termometry magnetyczne Magnetyczny rezonans jądrowy, NMR (Nuclear Magnetic Resonance) określenie populacji poziomów energetycznych przez indukowanie przejść pomiędzy sąsiednimi poziomami Pobodzenie polem magnetycznym o częstotliwości f = E/h w praktyce impulsowe Jedyna metoda pomiaru temperatury poniŝej 1mK Najczęściej stosowany materiał platyna

43 Termometry magnetyczne NMR Wymagania: wyrafinowany układ pomiarowy jednorodność pola magnetycznego w obszarze próbki na poziomie 0,01% kalibracja w ok. 10 mk małe wymiary próbki wiązka cienkich izolowanych drutów lub proszek

44 Termometry magnetyczne podatność magnetyczna Najpowszechniejsza metoda magnetyczna Magnetyzacja (lub podatność magnetyczna) zaleŝna od T prawo Curie: λ stała Curie M = χ = λb µ T µ M 0 0 B

45 Termometry magnetyczne podatność magnetyczna Kalibracja w górnej granicy stosowalności pozwala ekstrapolować w dół skalę temperatury Dolna granica odstępstwo od prawa Curie Podstawowy materiał azotan cerowomagnezowy (CMN, cerum magnesium nitrate) Zakres pomiarowy kilka... kilkaset mk

46 Termometr z blokadą Coulomba, CBT (Coulomb Blockade Thermometry) Zbudowany ze złącz tunelowych połączonych metalowymi wyspami W skończonej temperaturze elektrony mogą tunelować przez złącza KaŜdy dodatkowy elektron zwiększa energię ładowania Coulomba wyspy, E C E C większa od energii termicznej odpychanie tunelujących elektronów, zmniejszenie prądu tunelowania przy k B T < E c i U < E C W praktyce k B T E c

47 Termometr z blokadą Coulomba, CBT (Coulomb Blockade Thermometry) G = di/dv konduktancja ObniŜenie ch-ki przy U = 0 V zwiększa się przy obniŝaniu temperatury Szerokość w połowie obniŝenie zaleŝy tylko od temperatury: U 1/2 = 5,439Nk B T/e N liczba złącz

48 Termometr z blokadą Coulomba, CBT (Coulomb Blockade Thermometry) Wymagany pomiar charakterystyki kilka minut Szybciej pomiar głębokości obniŝenia charakterystyki, odwrotnie proporcjonalne do temperatury: G/G T = E c /6k B T

49 Termometr z blokadą Coulomba, CBT (Coulomb Blockade Thermometry) Zakres pomiarowy: 20 mk 30 K Termometry niewraŝliwe na pole magnetyczne

50 Przegląd termometrów