DEE Kryogeniikka

Transkriptio

1 DEE Kryogeniikka Luento 2 Kryogeniikan historia 1

2 Kryogeniikka pakkanen tuottaa, synnyttää Etymylogisesti kryogeniikka (cryogenics) tarkoittaa kylmän tuottamisen tiedettä ja taidetta. Kamerlingh Onnes,

3 First Use of the Word Cryogenic COMMUNICATIONS FROM THE PHYSICAL LABORATORY AT THE UNIVERSITY OF LEIDEN BY PROF. H. KAMMERLINGH ONNES No. 14 Dr. H. KAMMERLINGH ONNES on the cryogenic laboratory at Leiden and on the production of very low temperatures. 29 December

4 Cryogenic Temperature Region R 700 F 200 C 100 K 400 Water boils Water freezes ( K) Cryogenics: Superconducting region Methane boils Oxygen boils Nitrogen boils CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero T < 120 K or 150 C Broad Defn. Tempscale2.cdr 4

5 Ice First Use of Cold Ice - A desired product A source of cold in warm weather Food preservation Chinese used in food about 2000 BC Began as local harvesting (late 1700s) Ice A Cold Source Ice Naturally occurring Northern regions (ponds) Harvest in winter time How to store for summer Farmer harvesting ice from private pond 5

6 Commercial Ice Harvesting ( ) Horse Drawn Scoring (Rochester) Ice sawing Ice Railway to seacoast (Norway) 6

7 New York City Ice Market Unloading barges into local ice storage along the Hudson River in NYC Local delivery by ice wagon The local ice man Delivery of Cold Home ice box 7

8 First Ice Machine (1834) Automated Faraday s technique of liquefying gases Vapor-compression cycle 1834 British patent by Jacob Perkins Ether refrigerant (patent) +35 C NBP Made by John Hague in 1834 Condenser Evaporator 8

9 Modernization of Ice Industry (1890s) Natural Ice (Contaminated water) Gasoline engine ice saws Doomed by artificial ice around 1910 (some survived to 1960) Artificial Ice (pure water) Vapor-compression refrigerators (ammonia) 1868: Cheaper than natural in New Orleans 1920s: Cheaper than natural in Boston Doomed by home refrigerators around

10 Household Refrigerators First coupling of refrigerator to application First marketed in 1880s in Australia by Nicolle and Mort First introduced in US in 1911 (ammonia) First freezers introduced in 1920s Modern refrigerators mass produced after WWII 1928 Kelvinator (metal) 1921 Frigidaire (wood, metal liner) 10

11 Air Liquefaction and Separation Air liquefier td.jpg Typical Plant 100 t/d of O s Plant Air separation Institute WV 1961.ppt US Production 3000 t/d (1955) Linde-2stage-10Lhr1895.jpg 1895 Linde O 2 liquefier 10 L/hr 1910 Plant 2 t/d O 2 Welding Welding, O 2 steel furnace (1954) 11

12 Helium Liquefaction (1950s) Collins helium liquefier Collins jpg Invented 1946; commercial L/h (original) 2 Expansion engines (Kapitza) 600 units worldwide Allowed 4 K research worldwide Collins DEE He liq schematic.tif Kryogeniikka Risto Mikkonen Collins He liquefier-adl.jpg 12

13 Helium Shortage? 13

14 Modern Helium Liquefaction and Shipping Helium from natural gas (<2%) World s largest He liquefier 10 9 std. ft 3 /yr; 2.8x10 7 std. m 3 /yr Liberal, Kansas Air Products and Chemicals Liquid shipped via truck and air MRI systems major user Photo courtesy: Air Products and Chemicals 14

15 Miniature Joule-Thomson Cryocoolers Air Products and APD Cryogenics Used for direct cooling of infrared sensors First direct coupling of cryocooler to device (late 1950s) miniaturejt.cdr 15

16 1. Yksityisyrittäjät John Gorrie Kryogeniikan esiinmarssi malarian hoidon yhteydessä Kierrätetään jääpaloista täytetyn astian kylmä ilma viuhkan avulla Apalachicola

17 1. Yksityisyrittäjät Gorrien jääkone 1844: kokoonpuristettu kaasu laajentuessaan absorboi ympäristöstä lämpöä Gorrie, ilmastoinnin keksijä! 1851: patentti ensimmäisestä jääntekokoneesta 1855: Laite soveltuu yhtä hyvin käytettäväksi niin laivoihin kuin rakennuksiinkin ja voi olla avuksi säilytettäessä orgaanista ainetta 17

18 1. Yksityisyrittäjät Thomas Mort Laitteistot lampaan lihan pakastamiseksi (Australia Englanti) James Harrison jää-suola seos ammoniakki Lastit pilaantuivat vuotojen johdosta S.S Norfolk

19 2. Teurastajat Bell & Coleman Ulkoilman käyttö jäähdytysaineena Nosti Britannian johtavaan asemaan pakastetun lihan kaupassa! Ensimmäinen vahingoittumaton lihalasti Australiasta Englantiin Englanti oli pelastettu! S.S. Strathleven

20 3. Panimot Britannia pintahiivaolut, T = C (5-7 vrk) Saksa pohjahiivaolut, lämpötila juuri veden jäätymispisteen yläpuolella (12 viikkoa); varastointi kylmiin kellareihin lager Carl von Linde kehitti jäähdytyslaitteiston, jonka avulla voitiin valmistaa olutta ympäri vuoden väliaineena ammoniakki 20

21 4. Teollisuusmiehet Louis-Paul Cailletet - rautasulaton omistaja - hapen nesteytys pysyvän kaasun käsitteen kumoutuminen Raoul Pictet Hapen jäähdyttäminen rikkidioksidilla ja nestemäisellä hiilidioksidilla lämmönvaihtimessa 21

22 4. Teollisuusmiehet Wroblewski & Olszewski Jules Violle Ensimmäinen matalan lämpötilan laboratorio Krakova, 1883 Nestetytettyjen kaasujen fysikaaliset ominaisuudet Lämmönsiirto ympäristöstä Nestemäisen kaasun valmistus teollisessa mittakaavassa Tyhjiön idea lämpöeristeenä 22

23 5. Tiedemiehet James Dewar Vedyn nesteytys 1898 Tyhjiöön asetettavat pulverit Pintojen hopeointi Kaasujen sekoitus (vety + typpi) 1902 Reinhold Burger ryhtyi Saksassa markkinoimaan pulloja nimellä Thermos Laajentuminen ilmaan yhden atmosfäärin paineessa seoksesta, jossa on 10% typpeä vedyssä, sai aikaan paljon alhaisemman lämpötilan kuin mitä tähän mennessä on rekisteröity. 23

24 5. Tiedemiehet Heike Kamerlingh Onnes Heliumin nestetys Leidenin yliopistossa 1908 Suprajohtavuusilmiö elohopealle Vuonna 1910 Onnes saavutti 1.04 K:n lämpötilan epäonnistuessaan heliumin kiinteytyksessä, jota hän yritti laskemalla nestemäisen heliumin yläpuolella olevaa painetta. 24

25 6. Insinöörit Dr. Hampson - Ilman nesteytin - Kierukkalämmönvaihdin - Joule-Thompson efektin hyödyntäminen - Kapasiteetti 3 l/h Charles Tripler Kahden 75 kw:n höyrykoneen avulla 15 l nesteilmaa tunnissa. Käytti nesteyttämäänsä ilmaa tuottamaan korkeapaineista ilmaa paisuntahöyrykoneessa kompressoria varten pyrkimys tuottaa enemmän nesteytettyä ilmaa kuin mitä kulutti. 25

26 6. Insinöörit Georges Claude 1917 USA:n rakennettiin kolme kokeellista tehdasta, joissa erotettiin heliumia maakaasusta. Samuel Collins - Kaasun isentrooppinen paisunta, Käytännöllisempi ilman nesteytysprosessi Heliumnesteyttimet taloudellisiksi, 1947 Heliumkryostaatti T ~ 2 K 26

27 7. Raketit Konstantin Tsiolkovsky Robert H. Goddard Ensimmäiset rakettikokeilut, 1900 luvun alussa Ensimmäinen raketti lentoon nestehapella; kesto 2.5 s, huippunopeus 22 m/s, 1926 Kehitti rakettiaan vuoteen 1941 asti 27

28 7. Raketit Herman Oberth Werner von Braun Avaruussovellutusten kryogeniikka Vergeltungswalfe 2, V-2, Lontoon pommitukset Saturn-V ! One small step for a man, a giant leap for mankind. 28

29 8. Fyysikot ja suprajohtavuus No resistivity! = 0 T < T c No magnetic B = 0 in sc. induction! material Meissner effect 29

30 8. Fyysikot ja suprajohtavuus BCS teoria Bardeen, Cooper, Schrieffer 30

31 8. Fyysikot ja suprajohtavuus NbTi; T c ~ 10 K Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 8+x ; T c ~ 85 K Nb 3 Sn; T c ~ 18 K YBa 2 Cu 3 O 7-x ; T c ~ 90 K [Bi, Pb] 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x ; T c ~ 110 K MgB 2 ; T c ~ 40 K 31

32 8. Fyysikot ja suprajohtavuus MgB 2 Cu Fe Ni 32

33 8. Fyysikot ja suprajohtavuus LTS vs. HTS - Cooling Efficiency Efficiency 0.1 % 1 % 10 % Operational Range LTS HTS Temperature -273 ºC -253 ºC -233 ºC -213 ºC -193 ºC -173 ºC 0 K 20 K 40 K 60 K 80 K 100 K 33

34 9. Kehitys jatkuu Donald Glaser Ensimmäinen kuplakammio (valokuva ionisoivien partikkeleiden liikeradasta) CERN 34

35 9. Kehitys jatkuu Vuosina on fysiikan Nobel palkinto myönnetty kryogeniikkaan jollain tavalla kytkeytyen 22 kertaa! 35