Erzeugung tiefer Temperaturen

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1 Erzeugung tiefer Temperaturen Lasse Lambrecht Seminarvortrag

2 Inhalt Einführung Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Isolation und Wärmeleitung 4 He - Kryostat 3 He- 4 He Mischkühlung Helium-Transport Temperatur Messung Magnetische Kühlung / Ausblick

3 Einführung Temperaturskala von 10 9 K bis 10-5 K Absoluter Nullpunkt bei C = 0K Niedrigste Temperatur in der Natur 2.7K Temperatur ist einer der Grundlegendsten Faktoren für Experimente! (Randbedingungen)

4 Einführung

5 Einführung Es gibt 3 dominierende Kühlmethoden 1) Bis ca. 1K: Dampfdruckerniedrigung von 4 He 2) Bis zu 2 mk: 4 He- 3 He Mischkühlung in einfachen Apparaten bis 50 mk 3) Bis 12µK: Nukleare Adiabatische Entmagnetisierung.

6 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

7 Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Flüssiger Wasserstoff H 2 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

8 Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Helium 4 He und 3 He 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 (T s = 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 4 He und 3 He

9 Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten 3 He ist sehr selten (1.4 ppm in 4 He) kann jedoch künstlich in Reaktoren gewonnen werden 6 3Li+ 1 0 n 3 1 T+ 4 2 He 3 1T 12.3a 2 3 He+ 1 0 e + ν 4 He hat antiparallelen Spin ist also Boson während 3 He (Spin I = 1/2) ein Fermion ist Die Trennung von 4 He und 3 He ist sehr aufwändig, daher sehr teuer

10 Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten

11 Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten

12 Eigenschaften von Dampfdruck von He Kryoflüssigkeiten Es gilt P vap 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 4 He bzw 0.3K 3 He

13 Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten

14 Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Spezifische Wärmekapazität von He Wärmekapazität von Helium ist sehr groß 1g He 1J/K (1g Cu 10-5 J/K) Spezifische Wärme hat ein Maximum bei 2K -> Phasenübergang zu neuem Zustand (Supraflüssigkeit)

15 Eigenschaften Von Kryoflüssigkeiten Supraflüssigkeit 4 He wird ab der Kritischen Temperatur T lambda =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

16 Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten Suprafluides 3 He Da 3 He Spin I=1/2 besitzt -> Fermion suprafluider Zustand bei 3 He nur erreichbar durch Kopplung von 2 3 He Atomen, ähnlich zu Cooperpaaren im Supraleiter Wegen schwachen Kräften zwischen den Paaren -> T lambda = 2.5mK Suprafluid ähnelt Elektronen Gas im Supraleiter

17 Eigenschaften von Kryoflüssigkeiten

18 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) Al 2 O 3,, dünnwandige Edelstahlröhren Vakuum (Ceolite als Kryopumpe) Wärmeschalter : Kontaktgas

19 Isolation und Wärmeleitung Thermischer Grenzwiderstand (Kapitza) Thermisches Gleichgewicht zwischen Grenzflächen schwierig zu erreichen -> Temperaturverlust ΔT = R Q & K Wärmeaustausch zwischen He und Targetmaterial über Phononen ist behindert Reflexion analog zur Optik (Totalreflexion) Akustische Impedanz Bei T > 1K R k proportional zu T (min eine Größenordnung als theoretisch vorhergesagt) Bei 20mK T 100mK ist R k proportional zu T -3 (im Einklang mit Theorie) Minimierung durch große Oberflächen

20 He 4 -Kryostat Temperaturen bis 1K Verdampfungswärme 2.6 kj/l bei 4.2K Vorkühlung: flüssiger Stickstoff (N 2 )

21 He 4 -Kryostat He 4 -Kryostat Gute thermische Isolierung (Vakuum, Wärmeschilde) Pumpen mit ausreichend hoher Saugleistung Geeigneter Heliumzulauf Vorteil: schnelles Kaltfahren, hohe Kühlleistung Nachteil: Limitierung auf T > 1K

22 He 4 -Kryostat Für 1.0K<T< 4.2K -> Dampfdruck Erniedrigung

23 He 4 -Kryostat

24 He 4 -Kryostat

25 Helium-Transport Vakuumisolierte Spezialkanne Vakuumisolierte Transferline zum Umfüllen

26 3 He- 4 He Mischkühlung Mischverhältnis Mischt man 3 He mit 4 He so bilden sich 2 Phasen für T < 0.87 K Eine 3 He reiche und 3 He arme Phase Verdampfung von der 3 He reichen in die 3 He arme Phase entzieht dem System Wärme

27 3 He- 4 He Mischkühlung

28 3 He- 4 He Mischkühlung

29 3 He- 4 He Mischkühlung

30 3 He- 4 He Mischkühlung Kühlleistung Möglichst tiefe Temperatur für möglichst hohe Nukleonenpolarisation Problem Wärmeeintrag durch Mikrowellen und Experimentstrahl Typische Kühlleistung für 3 He- 4 He Mischkühlung: mw bei 50mK Größte 3 He- 4 He Kryostat COMPASS Experiment am CERN (800ml Ammoniak bei 58mK)

31 Temperaturmessung Zwei gängige Methoden tiefe Temperaturen zu messen Dampfdruckmessung Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit von elektrischen Widerständen

32 Temperaturmessung Dampfdruck Messung

33 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 RuO 2 (R> für T<) mit Magnetfeld

34 Weitere Verfahren Neben den Gaskühlungen: Adiabatische Entmagnetisierung paramagnetischem Salz (CMN) T<1K Adiabatische Kernentmagnetisierung T< 1µK single shot Verfahren kleine Kühlleistungen Sehr tiefe Temperaturen

35 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!

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