Kryogeniikka. 1 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

DEE-54011 Suprajohtavuus Kryogeniikka 1 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

A few words of jargon frost to produce Etymologically, cryogenics means the science and art of producing cold. Kamerlingh Onnes, 1894 2 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

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 1894 3 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Cryogenic Temperature Region R 700 F 200 C 100 K 400 Water boils 600 500 100 0 0 300 Water freezes (273.15 K) Cryogenics: 400 300-100 -200-100 200 Superconducting region T < 120 K or 150 C 200 100 0-300 -400-460 -200-273 100 Methane boils Oxygen boils Nitrogen boils CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero Broad Defn 4 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

What does CRYO mean? CRYO refers to any temperature equal or less than around 120 K Cryocooler Cryogen Cryogenics Cryostat Cryoconductor 5 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Safety issues Hindenburg, 6.5.1937-35 casualties 6 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Hindenburg 7 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Embrittlement & Thermal stresses Plastics > 2% Steel 0,3% Low temperature embrittlement Causes overloaded components to fracture spontaneously rather than accommodating the stress by plastic deformation. 11 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen 77 K

Cold burns & Asphyxiation The evaporation of cryogenic liquids in closed or badly ventilated areas can lead to oxygen deficiency. The victim may not even become aware of the oxygen deficiency!!! 12 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Pressure build up & Explosions 1 litre LHe 0.74 m 3 He gas 13 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

High Magnetic Field Earth s Magnetic Field 50 T MRI NMR 1.5 T / 3 T 21 T 14 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Copper can also serve as a cryoconductor A ka-m is the amount of conductor needed to carry 1000 A for 1 meter A ka-m of pure electrical copper when operated at J = 100 A / cm 2, T = 298 K (typical undergroud cable) has a mass of 8.9 kg has a volume of 1000 cm 3 has a price of 64.5 15 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Cu as a Cryoconductor (Cont.) Cu performance is also sensitive to temperature Less Cu is needed as temperature declines, the savings about 50 % of the Cu at T = 298 K Cu conductor also costs money Lower operating temperature requires less investment in Cu conductor, but investment insensitive to T below 77 K 16 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Cu as a Cryoconductor (Cont.) Cu ohmic losses decline with temperature Instead of trying to save money by reducing capital cost by increasing current density with decreasing temperature one could try to save money by reducing operating cost by reducing ohmic losses with decreasing temperature HTS RESISTIVITY DECREASES BUT SO DOES THE COOLING EFFICIENCY! NO GOOD! 17 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Properties of Cryogens Properties of Cryogens Cryogen Triple point (K) Boiling point (K) Critical point (K) Krypton, Kr 115.77 119.73 209.48 Methane, CH 4 90.69 111.67 190.56 Oxygen, O 2 54.36 90.19 154.58 Argon, Ar 83.81 87.30 150.69 Fluorine, F 53.48 85.04 144.41 Carbon monoxide, CO 68.16 81.64 132.86 Air, 0.76N 2 +0.23O 2 +0.01Ar 59.75 78.9 81.7 132.4 Nitrogen, N 2 63.15 77.36 126.19 Neon, Ne 24.56 27.10 44.49 Hydrogen (normal), H 2 13.96 20.39 33.19 Hydrogen (para), H 2 13.80 20.28 32.94 Helium-4, He 4-4.230 5.195 Helium-3, He 3-3.191 3.324 18 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Typpi Molekyylipaino 28.01 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 1.153 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 0.867 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 77.3 K Jäätymispiste (1 atm) 63.2 K Kriittinen lämpötila 126.3 K Kriittinen paine 2299 kpa Kriittinen tiheys 314.9 kg/m 3 Trippelipiste 63.1 K (12.5 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 199.1 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.04 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) 0.741 kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 808.5 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 696.5 19 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Typpi (Cont.) Kemiallisesti ei-aktiivinen, räjähtämätön, myrkytön (LN 2 saattaa kondensoitua seokseksi, jossa 50% nestehappea räjähdysvaara) Ilmakehässä n. 78 % (Marsin ilmakehässä 2.6 %). Suojakaasuna (kuivaus- ja hehkutusprosessit), jäähdytysaineena (laserit, infrapunadetektorit), karkaisu (teräs), öljyteollisuus Elintarviketeollisuus! 20 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kryostaatti terminen eristys 21 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Neon Molekyylipaino 20.18 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 0.835 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 1.197 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 27.1 K Kriittinen lämpötila 44.65 K Kriittinen paine 2654 kpa Kriittinen tiheys 483 kg/m Trippelipiste 24.55 K Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 86.3 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 1.05 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) 0.636 kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 1207 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 1445 22 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Neon (Cont.) William Ramsat, Morris Travers 1898 Väritön, inertti, harvinainen jalokaasu (ilmakehässä 1.5 promillea) Valmistus: Ilman nesteytys + tislaus Hyvä jäähdytyskapasiteetti (40 x He, 3 x N 2 ) Mainosvalot, korkeajänniteindikaattorit, tyhjöputket, laserit Suprajohtavuus? 23 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Vety Molekyylipaino 2.016 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 0.083 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 11.99 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 20.4 K Jäätymispiste (1 atm) 16.2 K Kriittinen lämpötila 33.19 K Kriittinen paine 1315 kpa Kriittinen tiheys 30.12 kg/m 3 Trippelipiste 13.95K (0.148 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 446 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 14.34kJ/kgK Ominaislämpö C v (STP) 10.12kJ/kgK Tiheys (neste) kiehumispisteessä 70.96 kg/m 3 Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä 1.331 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 850.3 24 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Vety (Cont,) Kevyin tunnettu alkuaine 90 % maailmankaikkeuden atomeista arvioidaan olevan vetyä Maankuoren massasta 0.76 % (13.5 % maankuoren atomeista) Vety ei ole primäärienergian muoto - höyryrefermointi - termokemiallinen (aurinko!) - sähkökemiallinen - fotolyysi - biokonversio Energiasisältö 120 MJ/kg 25 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Vety -sovelluskohteita Kemian ja petrokemian teollisuus (voiteluöljyjen ja kerosiinin valmistus) Ammoniakin ja synteettisen metanolin valmistus Elintarviketeollisuus (ruokaöljyjen ja margariinin valmistus) Metallurgia (rautaoksidin poistaminen rautamalmista) Sähkö- ja elektroniikkateollisuus (moottorien ja generaattorien jäähdytys, tyhjiöputket, kiteen kasvatusprosessit) Polttokennot 26 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Helium Molekyylipaino 4.00 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 0.165 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 6.061 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 4.22K Jäätymispiste (1 atm) Ei ole Kriittinen lämpötila 5.25 Kriittinen paine 227 kpa Kriittinen tiheys 69.64 kg/m 3 Trippelipiste Ei ole Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 20.28 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 5.19 kj/kgk Ominaislämpö C v (STP) 3.121 kj/kgk Tiheys (neste) kiehumispisteessä 124.98 kg/m 3 27 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Helium (Cont.) Isotooppi 4 He: Muuttuu kiinteäksi, kun p > 25 MPa Muuttuu supranesteeksi kun T < 2.17 K (höyrynpaineessa) 28 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen Isotooppi 3 He: Kaksi erilaista supratilaa Muutoslämpötila alle 0.0025 K Kiinteän heliumin rakenne on joko heksagonaalinen tiivis pakkaus (hcp) tai tilakeskeinen kuutio (bcc)

Helium (Cont.) Supraneste: ei kitkaa, ei viskositettia Supratila on kvanttimekaaninen ilmiö, virtausnopeus vorteksiviivan ympäri määrytyy vakiosta h/m Kvantisoidut vorteksit Supranesteiden pyöriminen on epähomogeenista Supranesteen virtaus kiertää kvantisoituja vorteksiviivoja Suprajuoksevuus Suprajohtavuus 29 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Economy of the Cryogenic Fluids 30 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Why is there a Helium shortage? 31 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Helium shortage A crucial ingredient in MRI machines, welding and more, helium is experiencing a shortage that s driving up its price around the world. 32 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

33 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

34 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Jäähdytysmoodit Sulze r 50 L/hr Turboexpanders Heliquefier.cdr 35 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Gifford-McMahon (GM) Cryocooler System Used for cryopumps Used for MRI shield cooling 36 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

2-Stage Gifford-McMahon Cryocooler 2nd Stage 1st Stage Low pressure High pressure Electrical 37 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen GM2stage. cdr

Two-Stage 4 K GM Cryocoolers Sumitomo Heavy Industries (SHI) Model 1 st stage 2 nd stage @4.2 K Input power (kw) SRDK-415D 45 W@50 K 1.5 W 7.5 kw SRDK-408D2 44 W@40 K 1.0 W 7.5 kw SRDK-408D 37 W@40 K 1.0 W 7.5 kw SRDK-305D 20 W@40 K 0.4 W 4.5 kw SRDK-205D 4 W@50 K 0.5 W 3.4 kw SRDK-101D 5 W@60 K 0.1 W 1.3 kw 38 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kryostaatti neste- vs mekaaninen jäähdytys 39 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

MRI-magneetin jäähdytys Shield cooling 15 K GM 40 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Example Cooling of a MgB 2 coil for induction heating 41 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Cryogenic Interface Consist of Oxygen Free High Conductivity (OFHC) copper Stycast epoxy 2850-FT is used to connect the comb structure to the magnet 42 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Cryogenic setup an example 43 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kryostaatti - lämpökuorma LÄMMÖNJOHTUMINEN Sisäastian kaula Tukirakenteet LÄMPÖSÄTEILY Tyhjiötilan läpi Sisäastian kaula VIRTAJOHDOT Johtumislämpö Joule-lämpö 44 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Tukirakenteiden jäähdytys Heliumkaasu pystyy sitomaan noin 75 kertaa höytystymislämmön suuruisen lämpömäärän ennen kuin se on lämmennyt 300 K. H ( T ) H C p ( T 4.2 K) 1559 J / g H 20.9 J / g Cp 5.2 J / gk 45 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Lämmönjohtuminen Q C A l T T 2 1 ( T ) dt Temperature range 300 K 4.2 K Stainless steel Epoxy 3100 W/m 150 W/m 46 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Esimerkki Nesteheliumiin siirtyy lämpöä johtumalla teräksestä valmistet-tua sylinterimäistä tukirakennetta pitkin, jota ei jäähdytetä höy-rystyvällä heliumkaasulla. Umpinaisen sylinterin poikkipinta-ala on 20 mm 2 ja pituus 200 mm. Mikäli tukiputken puoleenväliin liitetään kryojäähdytin, on ankkurointipisteessä putken lämpö-tila 70 K. Kuinka paljon edullisemmaksi käyttökustannuksiltaan ratkaisu on verrattuna tilanteeseen, jossa kryojäähdytintä ei käytetä? Teräksen lämmönjohtavuuden integraali lämpötilavälillä 300 K 4.2 K on 3100 W/m ja välillä 70 K 4.2 K 200 W/m. Nesteheliumin höyrystymislämpö on 20.4 J/g ja tiheys 125 kg/m 3. Kryojäähdyttimen vaatima teho huoneen lämpötilassa on 10 kw, sähkön hinta 0.1 /kwh ja nesteheliumin hinta 10 /l. 47 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Lämpösäteily Q R Net Radiation A 4 4 1 1 T2 T1 ) ( f 1,2 View Factor f 1,2 A1 Cocentric cylinders 2 1 2 1 A Superinsulation (MLI) 1 QR Mylar Q R N 1 2 2 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kryostaatin lämpötase 49 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Separarointimagneetin kryostaatti 50 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Suprajohdemagneetin virtajohdot Materiaalivaihtoehtoja Kupari Alumiini Ruostumaton teräs Messinki Mistä materiaalista virtajohtimet kannattaa valmistaa, jotta niiden aiheuttama lämpökuorma minimoituisi? Wiedemann-Franz ( T) ( T) L0 T HTS 51 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kaasujäähdytteiset virtajohdot Mikäli lämmönvaihto virtajohdon ja heliumkaasun välillä on ideaalinen d dt dt A ( T ) mc p( T ) dx dx dx Kokonaislämpökuorma nesteheliumiin ( T ) I A 2 0 Siis m C dt dx dt dx 0 2 p0 x 0 I x 0 0 I AmC 2 A p0 0 52 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kaasujäähdytteiset virtajohdot (Cont.) Kylmässä päässä lämpövuoto johtumista Joten Q I A ( T ) dt dx x 0 2 0 0 I p0 mc m H Jolloin m Q I I I C 0 p0 H C 0 H 0 p0 0 53 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kaasujäähdytteiset virtajohdot (Cont.) Esimerkiksi kuparille Suhteelle l A Tl T0 Q I 1 mw A I / saadaan optimilauseke dt I l H ( T ) A opt C p0 0 0 54 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

HTS-virtajohdot 55 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Suprajohdemagneetin jäähdytys dq dq s He M s C dm s ( T ) dt He h He ( T ) h He (4.2 K) M Kun lämmönvaihto ideaalista He T i 4.2 h He M ( T ) s C h s ( T ) (4.2 K) He dt 1. Esijäähdytys (LN 2 ) 2. Stabilointi T i 4.2 H M C s He Cs( T ) ( T 4.2 K) i dt 3. Typen poisto 4. Heliumin siirto 56 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

1000 kg:n kuparimassan jäähdytys T i (K) M He ( =1) (L) M he ( =0) (L) 300 790 31 200 240 660 22 290 200 560 16 610 140 375 8 660 100 230 4 150 80 150 1 640 50 44 550 30 19 76 10 0.5 1 57 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Jäähdytyksen hyötysuhde SECOND LAW OF THERMODYNAMICS (Relation of work and heat) Kelvin Statement Hot reservoir Q. Q. W. Q. System Surrounding Clausius Statement Surrounding h 0 System c Cold reservoir Of the heat supplied at a high temperature to a system not all can be converted to work; a fraction of it must be rejected as heat at a lower temperature. No process is possible whose sole result is the removal of heat from a reservoir at one temperature and the rejection of an equal quantity of heat to a reservoir at a higher temperature. Refrig9c.cdr 58 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen