POŻYTKI Z NISKICH TEMPERATUR czyli dlaczego na zimno widzimy więcej Maciej CHOROWSKI POLITECHNIKA WROCŁAWSKA Wydział Mechaniczno-Energetyczny Zakład Kriogeniki i Technologii Gazowych
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
Temperatura i energia Temperatura jest proporcjonalna do energii kinetycznej molekuł ~ E kt 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 o C) byłaby równa 427,455 10-23 J
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 - 9 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 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
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)
Karola Olszewskiego i Zygmunt Wróblewski 1883 1846-1915 1845-1888
Dewar i jego termosy 1898 1842-1923
Heike Kamerlingh Onnes i jego browar 1908 1853-1926
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 1 ---- V 3 / V 1 ---- 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 27,17 1207 9,58 0,90 44,5 2,73 85,8 126,0 1341 N 2 28,01 77,3 808 4,62 1,25 126,2 3,39 199,0 175,0 646 O 2 32,00 90,2 1140 4,47 1,43 154,6 5,04 213,0 255,0 797 CH 4 32,00 111,6 423 1,82 0,717 190,5 4,60 510,0 232,0 590
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).
Skraplarka Joule a Thomson a Wpływ gazu o wysokim ciśnieniu SPRĘŻARKA 2 1' T 2 i1 1 i2 1' p2 p1 3 5 3 K 4 Wymiennik ciepła i3 4 5 Zawór J-T S LN2 Obieg na wykresie T-S Schemat budowy Widok
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
Kriogeniczne izolacje termiczne Ciekły gaz Zbiornik zewnętrzny Przestrzeń próżniowa Izolacja próżniowa Zbiornik wewnętrzny A A Wielowarstwowa izolacja próżniowa Izolacja proszkowo - próżniowa
REKTYFIKACJA POWIETRZA
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 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 binarnej c' a' Temperatura c b a b' 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Czysta A Mieszanina, % B Czysta B
Podwójna kolumna Lindego z kolumną argonową Powietrze Tlen Azot 2 4 1 z2 Argon z3 z4 3 z1
Instalacja rektyfikacji powietrza
KRIO - MEDYCYNA
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
Krioterapia 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. MIEJSCOWA KRIOTERAPIA OGÓLNOUSTROJOWA
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 / - 160 C) ZBIORNIK CIEKŁEGO AZOTU Azot Powietrze SPRĘŻARKA POWIETRZA Komora CR-2002 CREATOR Wrocław
Kriosauna Jednoosobowa komora JUKA Niepołomice
Kriokomory Liczba kriokomór w Polsce 40 30 20 10 1 1978 1989 2003 Rok 1978 pierwsza kriokomora na świecie (Japonia) 1989 pierwsza kriokomora w Polsce (druga w Europie, trzecia na świecie) Rok 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
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
Przykłady zabiegów kriochirurgicznych Wymrażanie nowotworu wątroby Wymrażanie zmian skórnych
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
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.
NADPRZEWODNICTWO BADANIA NAUKOWE
Odkrycie nadprzewodnictwa rtęci 1911 r.
Porównanie nadprzewodnika z przewodem miedzianym
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
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) 85 110 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 125 94 117 135
Struktura nadprzewodnika B2223
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.
Prototypowy nadprzewodzący kabel
Efekt Meissnera
MAGLEV train Shanghai
Fizyka wysokich energii akceleratory, czyli najbardziej dokładne mikroskopy
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
Jak widzimy coraz mniejsze obiekty Energia 0.1 ev 10-2 m 10-6 m 10-8 m
Jak widzimy coraz mniejsze obiekty Energia 1 ev Energia 1.0 MeV Energia 100 GeV 10-10 m atom węgla 10-14 m jądro atomu węgla 10-17 m widoczne kwarki
Co chcemy zobaczyć Bozon Higgsa 10-20 m (???) 10 TeV
Jak działa a akcelerator Źródło cząstek Elektrody przyspieszające Pole odchylające Detektor
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
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 zdjęcie satelitarne
Podziemny kompleks akceleratorów w CERN
Nadprzewodzące wnęki rezonansowe przyspieszanie cząstek
Dipolowe magnesy nadprzewodzące pracujące w temperaturze 1.9 K
Przekrój przez magnes nadprzewodzacy NbTi,, temperatura pracy 1,8 K, pole 9 T
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
Montaż akceleratora LHC, wrzesień 2005
Prototypowy odcinek akceleratora LHC
Detektor ATLAS w CERN
Symulacja rozpadu Higgsa w ATLASie
Dziękuję za uwagę