Tiefe Temperaturen
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Erzeugung tiefer Temperaturen Lasse Lambrecht Seminarvortrag 06.07.2007 Inhalt • • • • • • • • Einführung Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Isolation und Wärmeleitung 4He - Kryostat 3He-4He Mischkühlung Helium-Transport Temperatur Messung Magnetische Kühlung / Ausblick Einführung • • • • Temperaturskala von 109 K bis 10-5 K Absoluter Nullpunkt bei -273.15C = 0K Niedrigste Temperatur in der Natur 2.7K Temperatur ist einer der Grundlegendsten Faktoren für Experimente! (Randbedingungen) Einführung Einführung • Es gibt 3 dominierende Kühlmethoden 1) 2) 3) Bis ca. 1K: Dampfdruckerniedrigung von 4He Bis zu 2 mK: 4He-3He Mischkühlung in „einfachen“ Apparaten bis 50 mK Bis 12µK: Nukleare Adiabatische Entmagnetisierung. Eigenschaften von Kyroflüssigkeiten Flüssige Luft, Sauerstoff, Stickstoff – Billig, da überall vorhanden – Sauerstoff (90.2K) hoch reaktiv -> ungeeignet für empfindliche Geräte – Stickstoff (77.4K) einfach in großen Mengen herzustellen Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Flüssiger Wasserstoff H2 – Starke covalente Kräfte zwischen den beiden H Atomen – Molekulare Flüssigkeit – Van der Waals Kraft bestimmt flüssige oder feste Phase -> führt zusammen mit großen Nullpunkts Energie zu tiefen Schmelz (14K) und Siedepunkt (20.3K) – Große exotherme Reaktionsfähigkeit mit Sauerstoff – Wird heute so gut wie nicht mehr als Kryoflüssigkeit verwendet Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Helium 4He und 3He – 1868 entdeckten J. Jannssen und N. Lockyer „neue“ Spektrallinien in der Sonnenkorona 1895 endeckte W.Ramsey ausdampfendes Helium aus dem Mineral Cevite – Wettlauf das „neue“ Gas zu verflüssigen – Kamerlingh-Onnes gewinnt das Rennen (Ts= 4.2K) – Helium ist zweit häufigstes Element im Weltall, jedoch auf der Erde sehr selten -> Teuer – He wird heute aus Natürlichen Gasreservoirs gewonnen – Helium besitzt 2 stabile Isotope 4He und 3He Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten – 3He ist sehr selten (1.4 ppm in 4He) kann jedoch künstlich in Reaktoren gewonnen werden 6 3 1 0 3 1 4 2 Li+ n→ T+ He T ⎯12.3a ⎯ ⎯→23 He+ −10e + ν 3 1 – 4He hat antiparallelen Spin ist also Boson während 3He (Spin I = 1/2) ein Fermion ist – Die Trennung von 4He und 3He ist sehr aufwändig, daher sehr teuer Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Dampfdruck von He – Es gilt Pvap ∝ exp(-L/RT) – Im Kelvin-Bereich ist der Dampfdruck aller Elemente außer für Helium sehr klein – Durch Abpumpen der verdampften Atome wird mittlere Energie das He-Bades kleiner -> kälter Q& ∝ LPvap ∝ exp(−1 / T ) – Abgeführte Energie ist Proportional zum Dampfdruck -> Gleichgewicht bei 1.0 K 4He bzw 0.3K 3He Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Spezifische Wärmekapazität von He – Wärmekapazität von Helium ist sehr groß 1g He → 1J/K (1g Cu → 10-5J/K) – Spezifische Wärme hat ein Maximum bei 2K -> Phasenübergang zu neuem Zustand (Supraflüssigkeit) Eigenschaften Von Kryoflüssigkeiten Supraflüssigkeit – 4He wird ab der Kritischen Temperatur Tlambda=2.2K zum sog. Suprafluid (einer Flüssigkeit die keine innere Reibung mehr besitzt) – Suprafluid besitzt folgende Eigenschaften • Nahezu ideale Wärmeleitfähigkeit durch den Effekt des Zweiten Schalls (Entropiewellen) • Als angeregte Zustände bei einer Drehung der Flüssigkeit bilden sich quantisierte mechanische Wirbel • He-Pegel stellen sich in Nachbargefäßen gleiche Höhe ein (Onnes-Effekt). – Theorie der Supraflüssigkeiten nicht vollständig verstanden basiert jedoch auf Bose-Einstein Kondensation Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Suprafluides 3He – Da 3He Spin I=1/2 besitzt -> Fermion – suprafluider Zustand bei 3He nur erreichbar durch Kopplung von 2 3He Atomen, ähnlich zu Cooperpaaren im Supraleiter – Wegen schwachen Kräften zwischen den Paaren -> Tlambda= 2.5mK – Suprafluid ähnelt Elektronen Gas im Supraleiter Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Isolation und Wärmeleitung Apperate müssen gut isoliert werden, jedoch muss die „kälte“ verfügbar gemacht werden – Gute Wärmeleiter sind Cu, Ag, Au und Al sie müssen sehr rein sein – Gute Isolatoren sind • • • • Plastik: Teflon, Nylon, Vespel, PMMA Graphite (große Qualitätsunterschiede) Al2O3,, dünnwandige Edelstahlröhren Vakuum (Ceolite als Kryopumpe) – „Wärmeschalter“: Kontaktgas Isolation und Wärmeleitung Thermischer Grenzwiderstand (Kapitza) – Thermisches Gleichgewicht zwischen Grenzflächen schwierig zu erreichen -> Temperaturverlust ΔT = RK Q& – Wärmeaustausch zwischen He und Targetmaterial über Phononen ist behindert Reflexion analog zur Optik (Totalreflexion) Akustische Impedanz – Bei T > 1K Rk proportional zu T (min eine Größenordnung als theoretisch vorhergesagt) – Bei 20mK ≥ T ≥ 100mK ist Rk proportional zu T-3 (im Einklang mit Theorie) – Minimierung durch große Oberflächen 4 He -Kryostat • • • Temperaturen bis 1K Verdampfungswärme 2.6 kJ/l bei 4.2K Vorkühlung: flüssiger Stickstoff (N2) 4 He -Kryostat He4-Kryostat – Gute thermische Isolierung (Vakuum, Wärmeschilde) – Pumpen mit ausreichend hoher Saugleistung – Geeigneter Heliumzulauf – Vorteil: schnelles Kaltfahren, hohe Kühlleistung – Nachteil: Limitierung auf T > 1K 4 He -Kryostat Für 1.0K<T< 4.2K -> Dampfdruck Erniedrigung 4 He -Kryostat 4 He -Kryostat Helium-Transport – Vakuumisolierte Spezialkanne – Vakuumisolierte Transferline zum Umfüllen 3He-4He Mischkühlung Mischverhältnis – Mischt man 3He mit 4He so bilden sich 2 Phasen für T < 0.87 K – Eine 3He reiche und 3He arme Phase – Verdampfung von der 3He reichen in die 3He arme Phase entzieht dem System Wärme 3He-4He Mischkühlung 3He-4He Mischkühlung 3He-4He Mischkühlung 3He-4He Mischkühlung Kühlleistung – Möglichst tiefe Temperatur für möglichst hohe Nukleonenpolarisation – Problem Wärmeeintrag durch Mikrowellen und Experimentstrahl – Typische Kühlleistung für 3He-4He Mischkühlung: → mW bei 50mK – Größte 3He-4He Kryostat COMPASS Experiment am CERN (800ml Ammoniak bei 58mK) Temperaturmessung Zwei gängige Methoden tiefe Temperaturen zu messen – Dampfdruckmessung – Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit von elektrischen Widerständen Temperaturmessung Dampfdruck Messung Temperaturmessung Widerstandsmessung – bis 10 K Metalle meist Platin (Pt-100) bis 10 K – 0.1K ≤ T ≤ 1 K Cu-Fe ( R> für T<) ohne Magnetfeld Halbleiter, Kohleschichtwiderstände und RuO2 (R> für T<) mit Magnetfeld Weitere Verfahren Neben den Gaskühlungen: – Adiabatische Entmagnetisierung paramagnetischem Salz (CMN) T<1K – Adiabatische Kernentmagnetisierung T< 1µK • „single shot“ Verfahren • kleine Kühlleistungen • Sehr tiefe Temperaturen Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!
