docLuento 2
download 
Report Transcription
Luento 2
DEE-54030 Kryogeniikka Luento 2 Kryogeniikan historia 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 1 Kryogeniikka pakkanen tuottaa, synnyttää Etymylogisesti kryogeniikka (cryogenics) tarkoittaa kylmän tuottamisen tiedettä ja taidetta. Kamerlingh Onnes, 1894 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 2 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 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 3 Cryogenic Temperature Region R F 700 200 C K 400 100 Water boils 600 100 500 0 300 0 Water freezes (273.15 K) 400 200 -100 -100 300 -200 200 Methane boils -300 100 100 Oxygen boils -200 Nitrogen boils -273 CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero -400 0 18.3.2015 Superconducting region -460 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen Cryogenics: T < 120 K or –150 C Broad Defn. Tempscale2.cdr 4 Ice – First Use of Cold Ice - A desired product Ice – A Cold Source A source of cold in warm weather Food preservation Chinese used in food about 2000 BC Began as local harvesting (late 1700s) • Ice – Naturally occurring Northern regions (ponds) Harvest in winter time How to store for summer Farmer harvesting ice from private pond 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 5 Commercial Ice Harvesting (18001910) Horse Drawn Scoring (Rochester) Ice sawing 18.3.2015 Ice Railway to seacoast (Norway) DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 6 New York City Ice Market Unloading barges into local ice storage along the Hudson River in NYC Delivery of Cold 18.3.2015 Local delivery by ice wagon The local ice man Home ice box DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 7 First Ice Machine (1834) Vapor-compression cycle Automated Faraday’s technique of liquefying gases 1834 British patent by Jacob Perkins Ether refrigerant (patent) +35 C NBP Condenser Evaporator Made by John Hague in 1834 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 8 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 1940 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 9 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) 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 10 Air Liquefaction and Separation 1950s Plant Air liquefier 1910 2td.jpg • Typical Plant 100 t/d of O2 • US Production 3000 t/d (1955) Air separation XB-98 @ Institute WV 1961.ppt Linde-2stage-10Lhr1895.jpg 1895 Linde O2 liquefier 10 L/hr 18.3.2015 1910 Plant 2 t/d O2 Welding, O2 steel furnace (1954) Welding DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 11 Helium Liquefaction (1950s) Collins helium liquefier Collins2-1946.jpg 18.3.2015 • Invented 1946; commercial 1947 • 4 L/h (original) • 2 Expansion engines (Kapitza) • 600 units worldwide • Allowed 4 K research worldwide DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen Collins He liq schematic.tif Collins He liquefier-ADL.jpg 12 Helium Shortage? 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 13 Modern Helium Liquefaction and Shipping • Helium from natural gas (<2%) • World’s largest He liquefier • 109 std. ft3/yr; 2.8x107 std. m3/yr • Liberal, Kansas • Air Products and Chemicals • Liquid shipped via truck and air • MRI systems major user Photo courtesy: Air Products and Chemicals 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 14 Miniature Joule-Thomson Cryocoolers • Used for direct cooling of infrared sensors • First direct coupling of cryocooler to device (late 1950s) miniaturejt.cdr Air Products and APD Cryogenics 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 15 1. Yksityisyrittäjät John Gorrie Kryogeniikan esiinmarssi malarian hoidon yhteydessä Kierrätetään jääpaloista täytetyn astian kylmä ilma viuhkan avulla Apalachicola 1833 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 16 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’ 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 17 1. Yksityisyrittäjät Thomas Mort Laitteistot lampaan lihan pakastamiseksi (Australia – Englanti) James Harrison jää-suola –seos ammoniakki Lastit pilaantuivat vuotojen johdosta S.S Norfolk 1873 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 18 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 1879 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 19 3. Panimot Britannia – pintahiivaolut, T = 15-20 0C (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 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 20 4. Teollisuusmiehet Louis-Paul Cailletet - 18.3.2015 rautasulaton omistaja hapen nesteytys 1877 pysyvän kaasun käsitteen kumoutuminen Raoul Pictet Hapen jäähdyttäminen rikkidioksidilla ja nestemäisellä hiilidioksidilla lämmönvaihtimessa DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 21 4. Teollisuusmiehet Wroblewski & Olszewski Jules Violle Ensimmäinen matalan lämpötilan laboratorio Krakova, 1883 Nestetytettyjen kaasujen fysikaaliset ominaisuudet Lämmönsiirto ympäristöstä 18.3.2015 Nestemäisen kaasun valmistus teollisessa mittakaavassa Tyhjiön idea lämpöeristeenä DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 22 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. 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 23 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. 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 24 6. Insinöörit Charles Tripler Dr. Hampson Kahden 75 kW:n höyrykoneen avulla 15 l nesteilmaa tunnissa. - Ilman nesteytin - Kierukkalämmönvaihdin - Joule-Thompson efektin hyödyntäminen - Kapasiteetti 3 l/h 18.3.2015 Käytti nesteyttämäänsä ilmaa tuottamaan korkeapaineista ilmaa paisuntahöyrykoneessa kompressoria varten pyrkimys tuottaa enemmän nesteytettyä ilmaa kuin mitä kulutti. DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 25 6. Insinöörit 1917 USA:n rakennettiin kolme kokeellista tehdasta, joissa erotettiin heliumia maakaasusta. Georges Claude Samuel Collins - Kaasun isentrooppinen paisunta, 1902 - Käytännöllisempi ilman nesteytysprosessi 18.3.2015 Heliumnesteyttimet ’taloudellisiksi’, 1947 Heliumkryostaatti T ~ 2 K DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 26 7. Raketit Konstantin Tsiolkovsky Robert H. Goddard Ensimmäinen raketti lentoon nestehapella; kesto 2.5 s, huippunopeus 22 m/s, 1926 Kehitti rakettiaan vuoteen 1941 asti Ensimmäiset rakettikokeilut, 1900 –luvun alussa 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 27 7. Raketit Herman Oberth Werner von Braun Avaruussovellutusten kryogeniikka Saturn-V 16.7.1969! Vergeltungswalfe 2, V-2, Lontoon pommitukset One small step for a man , a giant leap for mankind . 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 28 8. Fyysikot ja suprajohtavuus No resistivity! No magnetic induction! =0 B=0 T < Tc in sc. material Meissner effect 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 29 8. Fyysikot ja suprajohtavuus BCS teoria Bardeen, Cooper, Schrieffer 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 30 8. Fyysikot ja suprajohtavuus NbTi; Tc ~ 10 K Bi2Sr2Ca1Cu2O8+x; Tc ~ 85 K Nb3Sn; Tc ~ 18 K YBa2Cu3O7-x; Tc ~ 90 K [Bi, Pb]2Sr2Ca2Cu3O10+x; Tc ~ 110 K MgB2; Tc ~ 40 K 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 31 8. Fyysikot ja suprajohtavuus MgB2 Cu 18.3.2015 Fe Ni DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 32 8. Fyysikot ja suprajohtavuus LTS vs. HTS - Cooling Efficiency Efficiency 0.1 % Operational Range LTS -273 ºC 1% 10 % HTS -253 ºC -233 ºC -213 ºC -193 ºC -173 ºC Temperature 0K 18.3.2015 20 K 40 K 60 K DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 80 K 100 K 33 9. Kehitys jatkuu Donald Glaser Ensimmäinen kuplakammio (valokuva ionisoivien partikkeleiden liikeradasta) CERN 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 34 9. Kehitys jatkuu Vuosina 1902 – 2003 on fysiikan Nobel –palkinto myönnetty kryogeniikkaan jollain tavalla kytkeytyen 22 kertaa! 18.3.2015 DEE-54030 Kryogeniikka Risto Mikkonen 35
