POŻYTKI Z NISKICH TEMPERATUR czyli dlaczego na zimno widzimy więcej

Transkrypt

1 POŻYTKI Z NISKICH TEMPERATUR czyli dlaczego na zimno widzimy więcej Maciej CHOROWSKI POLITECHNIKA WROCŁAWSKA Wydział Mechaniczno-Energetyczny Zakład Kriogeniki i Technologii Gazowych

2 O czym rozmawiamy 1. Temperatura, energia, kriogenika, rys historyczny 2. Skroplone gazy 3. Niskie temperatury w medycynie 4. Nadprzewodnictwo 5. Akceleratory cząstek najbardziej precyzyjne mikroskopy

3 Temperatura i energia Temperatura jest proporcjonalna do energii kinetycznej molekuł ~ E kt gdzie k jest stałą Boltzmanna, k = 1, , JK-1, a T temperaturą termodynamiczną (bezwzględną) ciała

4 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 o C) byłaby równa 427, J

5 Zgodnie z konwencją przyjętą przez Międzynarodowy Instytut Chłodnictwa, kriogenika oznacza metody uzyskiwania temperatur poniżej 120 K słowo to pochodzi z języka greckiego: kruos zimno genos tworzenie W tak niskich temperaturach: -przejawiają się nowe własności materii (skroplenie gazów trwałych, nadciekłość i nadprzewodnictwo) -ulegają spowolnieniu bądź zatrzymaniu wszelkie reakcje -zmniejsza się nieuporządkowanie substancji, znikają szumy (krioelektronika)) TEMPERATURY KRIOGENICZNE BARDZO WYSOKIE TEMPERATURY T, K wnętrze najgorętszych gwiazd reakcje fuzji wodoru wnętrze Słońca korona słoneczna zjonizowana materia (plazma) powierzchnia Słońca włókno żarówki temperatura topnienia żelaza turbina parowa procesy biologiczne nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe temperatura wrzenia azotu nadprzewodnictwo NbTi (9.6 K) temperatura wrzenia helu 4 temperatura wrzenia helu 3 przejście w stan nadciekły helu 4 nadprzewodnictwo w wolframie (W) magnetyczne uporządkowanie w stałym helu 3 przejście w stan nadciekły helu 3 nadprzewodnictwo w rodzie (Rh) najniższa osiągalna temperatura w całej objętości próbki najniższa osiągalna temperatura jądra miedzi (Cu) kondensat Bosego - Einsteina

6 Rys historyczny kriogeniki 1883 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 roku 1950 Collins uruchamia seryjną produkcję skraplarek helu 1986 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)

7 Karola Olszewskiego i Zygmunt Wróblewski

8 Dewar i jego termosy

9 Heike Kamerlingh Onnes i jego browar

10 Własności cieczy kriogenicznych Ciecz M [g] T N [K] ρ 1 [kg/m 3 ] ρ 2 [kg/m 3 ] ρ 3 [kg/m 3 ] T C [K] P C [MPa] H V [kj/kg ] V 2 / V V 3 / V He 4,003 4,2 124,9 16,91 0,178 5,2 0,229 20,3 7,4 701 H2 2,01 20,3 70,81 1,34 0,089 33,04 1,29 446,0 52,8 788 Ne 20,18 27, ,58 0,90 44,5 2,73 85,8 126, N 2 28,01 77, ,62 1,25 126,2 3,39 199,0 175,0 646 O 2 32,00 90, ,47 1,43 154,6 5,04 213,0 255,0 797 CH 4 32,00 111, ,82 0, ,5 4,60 510,0 232,0 590

11 Jonathan 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).

12 Skraplarka Joule a Thomson a Wpływ gazu o wysokim ciśnieniu SPRĘŻARKA 2 1' T 2 i1 1 i2 1' p2 p K 4 Wymiennik ciepła i3 4 5 Zawór J-T S LN2 Obieg na wykresie T-S Schemat budowy Widok

13 Skraplarka helu zainstalowana w CERN przy akceleratorze LEP (12 kw na poziomie 4.5 K) Obieg na wykresie T-S Schemat budowy Widok cold box

14 Kriogeniczne izolacje termiczne Ciekły gaz Zbiornik zewnętrzny Przestrzeń próżniowa Izolacja próżniowa Zbiornik wewnętrzny A A Wielowarstwowa izolacja próżniowa Izolacja proszkowo - próżniowa

15 REKTYFIKACJA POWIETRZA

16 Składniki powietrza Składnik 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 , Neon 1, , Hel Krypton Ksenon 0, Radon

17 Równowaga fazowa mieszaniny binarnej c' a' Temperatura c b a b' Czysta A Mieszanina, % B Czysta B

18 Podwójna kolumna Lindego z kolumną argonową Powietrze Tlen Azot z2 Argon z3 z4 3 z1

19 Instalacja rektyfikacji powietrza

20 KRIO - MEDYCYNA

21 Temperatury kriogeniczne w medycynie KRIOMEDYCYNA KRIOTERAPIA KRIOSTYMULACJA KRIOCHIRURGIA KRIODESTRUKCJA PRZECHOWYWANIE PREPARATÓW BIOLOGICZNYCH Cel: Wywołanie i wykorzystanie fizjologicznych reakcji organizmu na zimno Cel: Miejscowe, kontrolowane niszczenie komórek chorobotwórczych Cel: Spowolnienie reakcji biochemicznych

22 Krioterapia Krioterapia lub kriostymulacja - działania lecznicze mające na celu obniżenie temperatury powierzchni ciała w krótkim czasie 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. MIEJSCOWA KRIOTERAPIA OGÓLNOUSTROJOWA

23 Kriokomora wolnostojąca WSTĘPNE FILTRY POWIETRZA WYMIENNIK CIEPŁA WYMIENNIK CIEPŁA FILTR POWIETRZA KRIOOCZYSZCZALNIKI OSUSZACZ POWIETRZA N2 PRZEDSIONEK KOMORA WŁAŚCIWA 210 K (- 60 C) 110 K / 150 K (- 120 C / C) ZBIORNIK CIEKŁEGO AZOTU Azot Powietrze SPRĘŻARKA POWIETRZA Komora CR-2002 CREATOR Wrocław

24 Kriosauna Jednoosobowa komora JUKA Niepołomice

25 Kriokomory Liczba kriokomór w Polsce Rok 1978 pierwsza kriokomora na świecie (Japonia) 1989 pierwsza kriokomora w Polsce (druga w Europie, trzecia na świecie) Rok Ilość nowych Suma

26 Kriochirurgia 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

27 Przykłady zabiegów kriochirurgicznych Wymrażanie nowotworu wątroby Wymrażanie zmian skórnych

28 Proces narastania kuli lodowej symulacja zabiegu kriochirurgicznego Czas: 0 s 10 s 20 s 40 s Czas: 80 s 100 s 160 s 220 s

29 Diagnostyka 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.

30 NADPRZEWODNICTWO BADANIA NAUKOWE

31 Odkrycie nadprzewodnictwa rtęci 1911 r.

32 Porównanie nadprzewodnika z przewodem miedzianym

33 Temperatury krytyczne nadprzewodników niskotemperaturowych Al In Sn Hg Ta V Pb NbTi 1,2 K 3,4 K 3,7 K 4,2 K 4,5 K 5,4 K 7,2 K 9,6 K Kabel wykonany z nadprzewodnika NbTi

34 Temperatury krytyczne T k wybranych nadprzewodników wysokotemperaturowych (HTS) Rodzina nadprzewodników Nadprzewodnik Temperatura krytyczna, K YBCO (itr-bar-miedź-tlen) YBa 2 Cu 3 O x (Y-123) 92 BSCCO (bizmut-stront-wapń-miedź-tlen) Bi 2 Sr 2 CaCu 2 Ox (Bi-2212) Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 Ox (Bi-2223) TBCCO (tal-bar-wapń-miedź-tlen) TlBa 2 Ca 2 CuO x (Tl-1221) 122 HBCCO (rtęć-bar-wapń-miedź-tlen) Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x (Tl-2223) HgBa 2 CuO x (Hg-1201) HgBa 2 CaCu 2 O x (Hg-1212) HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O x (Hg-1223) Nadprzewodniki HTS mogą być ziębione ciekłym azotem, tanim i łatwo dostępnym

35 Struktura nadprzewodnika B2223

36 Schemat nadprzewodzącego kabla HTS 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.

37 Prototypowy nadprzewodzący kabel

38 Efekt Meissnera

39 MAGLEV train Shanghai

40 Fizyka wysokich energii akceleratory, czyli najbardziej dokładne mikroskopy

41 Dlaczego do zobaczenia małych obiektów potrzebujemy akceleratorów E = mc 2 Związek masy i energii m masa, c prędkość światła E = hf 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

42 Jak widzimy coraz mniejsze obiekty Energia 0.1 ev 10-2 m 10-6 m 10-8 m

43 Jak widzimy coraz mniejsze obiekty Energia 1 ev Energia 1.0 MeV Energia 100 GeV m atom węgla m jądro atomu węgla m widoczne kwarki

44 Co chcemy zobaczyć Bozon Higgsa m (???) 10 TeV

45 Jak działa a akcelerator Źródło cząstek Elektrody przyspieszające Pole odchylające Detektor

46 Najsilniesze akceleratory 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

47 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

48 CERN zdjęcie satelitarne

49 Podziemny kompleks akceleratorów w CERN

50 Nadprzewodzące wnęki rezonansowe przyspieszanie cząstek

51 Dipolowe magnesy nadprzewodzące pracujące w temperaturze 1.9 K

52 Przekrój przez magnes nadprzewodzacy NbTi,, temperatura pracy 1,8 K, pole 9 T

53 Akcelerator LHC w tunelu, koniec 2007 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

54 Montaż akceleratora LHC, wrzesień 2005

55 Prototypowy odcinek akceleratora LHC

56 Detektor ATLAS w CERN

57 Symulacja rozpadu Higgsa w ATLASie

58 Dziękuję za uwagę