Techniki niskotemperaturowe w medycynie

Transkrypt

1 Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Inżynieria Mechaniczno - Medyczna Techniki niskotemperaturowe w medycynie Adiabatyczne rozmagnesowanie paramagnetyków jako metoda osiągania ekstremalnie niskich temperatur. Anna Mielcarek II sem IMM II st.

2 Spis treści Wstęp 1 1. Charakterystyka paramagnetyków 1 2. Rozmagnesowanie adiabatyczne paramagnetyków 2 3. Temperatura końcowa paramagnetyka i wydajność procesu 4 4. Obieg chłodzenia magnetycznego, a obieg parowo sprężarkowy 5 5. Chłodziarki do chłodzenia magnetycznego 6 6. Zalety adiabatycznego rozmagnesowywania paramagnetyków 6 7. Materiały magnetokaloryczne 7 8. Bibliografia 8

3 Wstęp W celu obniżania temperatur stosuje się między innymi czynniki w stanie gazowym. Są one głównym czynnikiem roboczym stosowanym w większości chłodziarek kriogenicznych. Zdarza się jednak, że do chłodzenia wykorzystujemy również własności magnetyczne i elektryczne ciał stałych. Na szczególną uwagę zasługują paramagnetyki, które umożliwiają uzyskanie zarówno niski temperatur (poniżej 1K), jak trwają badania nad zastosowaniem ich w wyższych temperaturach. 1. Charakterystyka paramagnetyków Paramagnetyki to ciała stałe, których atomy lub cząsteczki posiadają własny moment magnetyczny. W wyniku fluktuacji cieplnych wypadkowy moment magnetyczny paramagnetyków wynosi zero. Innymi słowy, są to substancje zbudowane z bardzo słabo ze sobą oddziałujących dipoli magnetycznych obdarzonych momentem magnetycznym. Gdy zostanie przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne, następuje uporządkowanie momentów magnetycznych paramagnetyka. W odróżnieniu od diamagnetyków, gdzie indukowane momenty są skierowane przeciwnie do kierunku pola, powstały moment wypadkowy substancji paramagnetycznej ma kierunek zgodny z zewnętrznym polem. Porządek ten zachodzi tym łatwiej, im niższa jest temperatura. Do kompletnego uporządkowania momentów magnetycznych w temperaturze 1 K wystarczy pole o indukcji kilku Tesli, co jest dość łatwo osiągalne w warunkach laboratoryjnych. Entropia w przypadku paramagnetyków jest funkcją temperatury jak i natężenia pola magnetycznego. Zależy zarówno od fluktuacji cieplnych cząsteczek jak i od ich orientacji. Gdy zewnętrzne pole magnetyczne osiągnie temperaturę zera bezwzględnego, to w substancji wykazującej własność paramagnetyzmu nie pozostaje resztkowe namagnesowanie (odmiennie niż w przypadku ferromagnetyzmu, gdzie namagnesowanie osiąga wtedy wartość maksymalną). Przykładami paramagnetyków są między innymi: tlen cząsteczkowy, lit, sód, potas, wapń, glin oraz niektóre sole. 1

4 2. Rozmagnesowanie adiabatyczne paramagnetyków Rozmagnesowanie adiabatyczne paramagnetyków, zwane również efektem magnetokalorycznym (MCE) jest podstawą technologi obniżania temperatur w ramach chłodzenia magnetycznego. Jest to zjawisko termodynamiczne, w którym odpowiednio dobrany materiał gwałtownie zmienia swoją temperaturę podczas oddziaływania na niego cyklicznie zmiennego pole magnetyczne. Efekt ten wykazują wszystkie materiały magnetyczne. Rysunek 1: Efekt MCE Efekt ten został pierwszy raz zauważony w 1880 roku przez przyjaciela Alberta Einsteina niemieckiego fizyka Emila Warburga. Jednakże dopiero w latach trzydziestych XX wieku pojawiły się dwie pierwsze koncepcje wykorzystania tego zjawiska. Jedna z nich była autorstwa Amerykanina W. F. Giague i została opublikowana w 1926 roku, druga natomiast została stworzona rok później przez P. Debye w Niemczech. Obie powstały niezależnie od siebie. Jest to podstawowa metoda uzyskiwania temperatur poniżej 0,3K opierająca się na rozmagnesowywaniu adiabatycznym spinów elektronów soli paramagnetycznych. Natomiast w 1965 roku węgierski fizyk - Miklós Kürti i jego współpracownicy osiągnęli temperaturę 1,2*10-6 K poprzez rozmagnesowanie spinów jąder atomów miedzi. 2

5 Możliwość obniżenia temperatury w oparciu o efekt MCE wynika z uporządkowania dipoli w paramagnetyku połączonego z obniżeniem entropii. Obniżenie temperatury składa się z dwóch etapów: 1) izotermicznego namagnesowanie materiału (proces A-B na rysunku 2) Podczas tego etapu następuje: a) wzrost wartości natężenia pola magnetycznego od wartości H 0 do wartościh 3 ; b) ułożenie dipoli magnetycznych równolegle do kierunku pola; c) spadek wartości entropii od wartości S A do wartości S B ; d) przekazanie ciepła do otoczenia w ilości: q = T in (S A S B ). 2. adiabatycznego rozmagnesowanie (proces B-C na rysunku 2) Podczas tego etapu następuje: a) powrót do natężenia o wartości H o ; b) obniżenie temperatury od wartości T in do wartości T f. Rysunek 2: Proces obniżania temperatury w efekcie rozmagnesowania adiabatycznego; H - natężenie pola magnetycznego, A - B - izotermiczne namagnesowanie, B - C - adiabatyczne rozmagnesowanie. 3

6 Na podstawie rys. 2 można zauważyć, że efekt zmniejszania się entropii podczas izotermicznego namagnesowania następuje w przedziale temperatur od wartości T o (temperatura początkowa) do wartości Θ S (temperatura spontanicznego namagnesowania : ). W tych temperaturach ruchliwość cieplna molekuł jest tak mała, że zewnętrzne pole magnetyczne częściowo porządkuje momenty magnetyczne, a tym samym entropia bardzo silnie jest uzależniona od przyłożonego pola zewnętrznego. Powyżej temperatury T o występują tak silne fluktuacje termiczne, że przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne nie daje rady uporządkować momentów magnetycznych spinów elektronów paramagnetyka. Tym samym, w tym zakresie temperatur, natężenie pola H nie wpływa na entropię układu. Natomiast, gdy temperaturę bardzo obniżymy, następuje spontaniczne uporządkowanie momentów i zewnętrzne pole nie wpływa na wartość entropii. 3. Temperatura końcowa paramagnetyka i wydajność procesu W oparciu o I Zasadę Termodynamiki i wzór na potencjał Gibbsa, z prawa Curie możemy określi końcową temperaturę paramagnetyka po rozmagnesowaniu, która jest równa: gdzie: T k temperatura końcowa po rozmagnesowaniu; T o temperatura początkowa; H o początkowe natężenie pola magnetycznego; C stała Curie; c H ciepło właściwe w stałym natężeniu pola magnetycznego H. Przy obliczeniach należy pamiętać, że prawo Curie nie jest zachowane przy bardzo niskich temperaturach. Spowodowane jest to faktem, iż przy temperaturze T dążącej do zera absolutnego namagnesowanie M musiało by dążyć do nieskończoności, a w rzeczywistości podlega ono nasyceniu. Wydajność chłodniczą procesu wyznacza się ze wzoru: 4

7 4. Obieg chłodzenia magnetycznego, a obieg parowo sprężarkowy Rysunek 3: Porównanie obiegu chłodzenia magnetycznego i obiegu parowo sprężarkowego. Rysunek 3 obrazuje występujące analogie pomiędzy chłodzeniem magnetycznym, a sprężaniem i rozprężaniem gazów. Proces rozmagnesowania, który zachodzi przy stałej temperaturze stanowi odpowiednik izotermicznego sprężania gazów. Natomiast izentropowe rozprężanie gazu pod względem termodynamicznym jest analogiczne do adiabatycznego procesu rozmagnesowywania. 5

8 5. Chłodziarki do chłodzenia magnetycznego Rysunek 4: Zasada działania chłodziarki do adiabatycznego rozmagnesowywania; 1 - substancja paramagnetyczne, 2 - naczynie z próbką, 3 - zawór pozwalający na usunięcie gazu pośredniczącego w wymianie ciepła, 4 - magnes. Proces chłodzenia magnetycznego polega na umieszczeniu substancji paramagnetycznej w naczyniu, które jest zanurzone we wrzącym helu w temperaturze ok. 1K w warunkach obniżonego ciśnienia. Warunkiem wstępnego ochłodzenia próbki, jest wypełnienie zbiornika 2 gazowym helem, który pośredniczy w wymianie ciepła (rys. 4a). Potem, przy stałej temperaturze następuje namagnesowanie próbki (rys. 4b). Ciepło zostaje odprowadzone do helu, który wrze. Następnie, ze zbiornika 2 przez zawór 3 usuwa się gaz, który pośredniczył w wymianie ciepła (rys. 4c). W ten sposób otrzymuje się warunki adiabatyczne. Kolejny etap to usunięcie pola magnetycznego. Ostatecznie próbka ulega rozmagnesowaniu (rys. 4d) i obniża się jej temperatura. 6. Zalety adiabatycznego rozmagnesowywania paramagnetyków Chłodzenie magnetyczne nie wymaga specjalistycznych części mechanicznych. Co więcej aparatura stosowana w tym procesie nie zużywa się i jest o 40% wydajniejsza od stosowanych dotychczas metod. Jej gabaryty są mniejsze od tradycyjnych sprężarek. Co ważne jest przyjazna środowisku: nie wymaga stosowania gazów szkodliwych oraz jest to metoda energooszczędna. 6

9 7. Materiały magnetokaloryczne Wykorzystanie efektu adiabatycznego rozmagnesowania paramagnetyków przynosi wiele widocznych korzyści i jest znany od stu lat, jednakże proces chłodzenia magnetycznego nadal nie jest powszechnie stosowany. W prawdzie jest on używany np. jako środek pomocniczy do osiągania temperatur w okolicy 0K, ale jeszcze sporo czasu upłynie, zanim będzie można spotkać się z nim np. w klimatyzatorach. Wynika to z faktu, iż naukowcy wciąż szukają odpowiedniego materiału, który dawał by możliwość dość dużego obniżenia temperatury. Dotychczas w procesie adiabatycznego rozmagnesowania korzystamy m.in. z soli paramagnetycznych (np. siarczanu gadolinu, siarczan miedziowo potasowego, azotanu cerowo magnezowy) i ałunów (np. żelazowo amonowych, chromowo potasowych), jednak wydajność tych związków jest za mała w stosunku do potrzeb. Poszukiwaniami odpowiednich materiałów zajmują się m.in. naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory. Odkryli oni, iż bardzo duży efekt MCE daje np. stop niklowomanganowo-galowy z domieszką miedzi. Niestety, mimo zastosowania wielu zaawansowanych technik badawczych, nadal nie wiedzą, dlaczego tak się dzieje i nie są w stanie określić wpływu konkretnych domieszek na efekt końcowy procesu chłodzenia. Jednak badania te dopiero są we wstępnej fazie i potrwają zapewne jeszcze wiele lat. Pozostaje nadzieja, iż naukowcom w końcu uda się odkryć właściwość atomów czy cząsteczek wpływającą na siłę efektu MCE, a to pozwoli na stworzenie stopów idealnych do zastosowania w lodówkach, zamrażarka, klimatyzatorach, komputerach czy też ogólnie rozumianym przemyśle. 7

10 8. Bibliografia: Chorowski M., Kriogenika podstawy i zastosowania, wyd. MASTA, Gdańsk 2007; W. Skrzypulec, G. Konopka-Cupiał, Efektywne wykorzystanie energii i czyste środowisko główne kierunki rozwoju w branży chłodniczej i klimatyzacyjnowentylacyjnej, Polityka Energetyczna, Tom 11, Zeszyt 2, 2008, PL ISSN ; chlodzenie-sujoy-roy-jeff-kortright-elizabeth-blackburn-lawrence-berkeley- National-Laboratory,