Кіріспе

Материалдардың өте төмен температурада өндірілуі және олардың қасиеттерін зерттеу. Физикада криогеника – бұл материалдардың өте төмен температурада өндірілуі және олардың қасиеттерін зерттеу саласы. 13-ші Халықаралық тоңазыту институтының (IIR) Халықаралық тоңазыту конгресі (1971 жылы Вашингтон қаласында өткізілді) осы терминдерді дәстүрлі тоңазытудан ажырату үшін «криогеника» және «криогендік» терминдерінің әмбебап анықтамасын бекітті. Бұл логикалық шекара, себебі «тұрақты газдар» деп аталатын газдардың (гелий, сутек, неон, азот, оттегі және қалыпты ауа) қайнау нүктесі 120 К-ден төмен, ал фреон тоңазытқыштары, көмірсутектер және басқа да кең таралған тоңазытқыштардың қайнау нүктесі 120 К-ден жоғары. Азоттың қайнау нүктесінен едәуір жоғары температурадағы құбылмалылық қасиеттері бар материалдардың табылуы, жоғары температуралы криогендік тоңазытуды өндірудің сенімді әрі төмен құнды әдістеріне жаңа қызығушылық тудырды. «Жоғары температуралы криогендік» термині сұйық азоттың қайнау нүктесінен жоғары температураларды, дейін сипаттайды. Бұл жаңалық 2 К температураға жету мүмкіндігіне қол жеткізгеннен кейін ашылды. Алғашқы құбылмалылық қасиеттері сынаптан 4,2 К температурада байқалды. Криоген мамандары Кельвин немесе Ранкин температура шкалаларын қолданады, олардың екеуі де абсолюттік нөлден өлшенеді, ал Цельсий шкаласы теңіз деңгейіндегі судың қату нүктесінен, ал Фаренгейт шкаласы теңіз деңгейіндегі белгілі бір тұз ерітіндісінің қату нүктесінен өлшенеді.

Анықтамалар мен айырмашылықтар

Криогеника – өте төмен температураларды (123 К-тан төмен, яғни ультра төмен температура), оларды қалай алуға болатынын және материалдардың осы температурадағы қасиеттерін зерттейтін инженерлік салалар. Криобиология – биологияның төмен температураның тірі организмдерге тигізетін әсерін зерттейтін саласы (көбінесе криосақтау мақсатында). Басқа қолданыстарға фармацевтикалық компоненттер мен дәрі-дәрмектерді лиофилизациялау (тоңдырып кептіру) жатады. Жануарлардың генетикалық ресурстарын криосақтау – тұқымды сақтау үшін генетикалық материалды сақтау. Генетикалық материалды сақтау тек адам емес жандармен ғана шектелмейді. Көптеген қызметтер генетикалық материалды сақтауды немесе туған кездегі дің жасушаларды сақтауды ұсынады. Олар жасуша желілерін зерттеу үшін немесе дің жасушалық терапияда қолданылуы мүмкін. Криохирургия – тіндерді, мысалы, қатерлі ісік жасушаларын жою үшін криогендік температураны қолданатын хирургияның бір саласы. Көбінесе криоабляция деп аталады. Криоэлектроника – криогендік температурадағы электрондық құбылыстарды зерттеу. Мысалдарға суперөткізгіштік және айнымалы диапазонды секіру жатады. Крионика – болашақта қайта тірілту мақсатымен адамдар мен жануарларды криосақтау. Халық арасында және баспасөздерде "криоген" сөзі кейде қате түрде "крионика" мағынасында қолданылады.

Этимология

Криогендік сөз грек тіліндегі κρύος (cryos) – "суық" және γενής (genis) – "жасау" деген сөздерден туындаған.

Криогенді сұйықтықтар

Кельвин және Цельсий градустарындағы қайнау температурасы бар криогенді сұйықтықтар. Сұйықтық Қайнау температурасы (K) Қайнау температурасы (°C) Гелий 3 3.19 269.96 Гелий 4 4.214 268.936 Сутегі 20.27 252.88 Неон 27.09 246.06 Азот 77.09 196.06 Ауа 78.8 194.35 Фтор 85.24 187.91 Аргон 87.24 185.91 Оттегі 90.18 182.97 Метан 111.7 161.45

Өнеркәсіптік қолдану

Сұйық азот және сұйық гелий сияқты сұйытылған газдар көптеген криогендік қолданыстарда қолданылады. Сұйық азот – криогендік техникада ең көп қолданылатын элемент және оны бүкіл әлемде заңды түрде сатып алуға болады. Сұйық гелий де жиі қолданылады және ең төменгі температураға жетуге мүмкіндік береді. Бұл сұйықтықтарды жылу беруді азайту үшін қабырғалары арасында жоғары вакуум болатын екі қабырғалы контейнерлерде, яғни Дьюар колбаларында сақтауға болады. Әдеттегі зертханалық Дьюар колбалары шар тәрізді, шыныдан жасалған және металл сыртқы ыдыспен қорғалған. Сұйық гелий сияқты өте суық сұйықтықтарды сақтайтын Дьюар колбаларында сұйық азотпен толтырылған тағы бір екі қабырғалы контейнер болады. Дьюар колбалары алғашқы болып сутекті сұйықтырған Джеймс Дьюардың құрметіне аталған. Термос бөтелкелер – қорғаныш қабықшаға орнатылған кішкентай вакуумдық колбалар. Осы сұйықтықтарды сақтайтын Дьюар колбаларын белгілеу үшін криогендік штрих-кодтық жапсырмалар қолданылады және олар -195 градус Цельсийге дейін мұзданбайды. Криогендік тасымалдау насостары сұйытылған табиғи газды (LNG) тасымалдаушылардан LNG сақтау резервуарларына тасымалдау үшін, сондай-ақ криогендік клапандар үшін қолданылады.

Криогендік өңдеу

Криогендік ғылым Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде дамыды, себебі ғалымдар төмен температураға дейін тоңазылған металдардың тозуға қарсы кедергісі артатынын анықтады. Осы криогендік қатаю теориясына негізделген коммерциялық криогендік өңдеу индустриясын 1966 жылы Билл мен Эд Буш негіздеді. Жылумен өңдеу саласында тәжірибесі бар Буш ағайындары 1966 жылы Детройт қаласында CryoTech атты компания құрды. Буш бастапқыда металл құралдардың қызмет ету мерзімін, жылумен өңдеудің орнына криогендік темперлеу арқылы бастапқы күтілетін мерзімнен 200%-дан 400%-ға дейін ұлғайту мүмкіндігін зерттеді. 1990-шы жылдардың соңында бұл басқа да бөлшектерді өңдеуге ұласты. Сұйық азот сияқты криогендер арнайы салқындату және қатыру қолданулары үшін қолданылады. Кейбір химиялық реакциялар, мысалы, танымал статин препараттарының белсенді ингредиенттерін өндіруге қолданылатындар, шамамен төмен температурада жүруі керек. Арнайы криогендік химиялық реакторлар реакцияның жылуын кетіру және төмен температурадағы ортаны қамтамасыз ету үшін қолданылады. Тағамдар мен биотехнологиялық өнімдерді, мысалы, вакциналарды қатыру үшін қатты қатыру немесе суға батыру жүйелерінде азот қажет. Кейбір жұмсақ немесе серпімді материалдар өте төмен температурада қатты және сынғыш болатынын, бұл жоғары температурада оңай ұсатылмаған материалдар үшін криогендік ұсатуды (криомельдеуді) мүмкін етеді. Криогендік өңдеу жылумен өңдеудің орнына қолданылмайды, керісінше, қыздыру-салқындату-темперлеу циклінің жалғасы болып табылады. Әдетте, зат салқындатылғанда соңғы температура қоршаған ортаның температурасы болады. Бұның себебі, көптеген жылумен өңдеушілерде салқындату жабдықтары жоқ. Қоршаған орта температурасының металлургиялық маңызы жоқ. Криогендік процесс осы әрекетті қоршаған орта температурасынан төмен температураға дейін жалғастырады. Қорытпалардың барлығы бірдей химиялық құрамына ие болмағандықтан, темперлеу процедурасы материалдың химиялық құрамына, термиялық тарихына және/немесе құралдың нақты қолданылуына сәйкес өзгереді. Бүкіл процесс 3-4 күнге созылады.

Отын

Криогендіктің тағы бір қолданылуы – ракеталар үшін криогендік отын, ең көп қолданылатын мысалы сұйық сутегі. Сұйық оттегі (LOX) отын ретінде емес, тотықтырғыш ретінде одан да кеңінен қолданылады. NASA-ның негізгі ғарыш кемесі криогендік сутек/оттегі отынын орбитаға шығудың басты құралы ретінде пайдаланды. LOX сонымен қатар Сергей Королев жасаған Кеңес Одағының ғарыш бағдарламасы үшін құрылған зымырандардағы RP-1 керосинімен, криогенді емес көмірсутекпен де кеңінен қолданылады. Ресейлік ұшақ жасаушы Туполев компаниясы өзінің танымал Tu-154 ұшағының Tu-155 деп аталатын криогендік отын жүйесімен жабдықталған нұсқасын жасады. Ұшақ сұйытылған табиғи газ немесе СЖГ деп аталатын отынды пайдаланады және 1989 жылы алғашқы рейсін жасады.

Өндіріс

Құрылғылар мен материалдарды криогендік салқындату әдетте сұйық азот, сұйық гелий немесе механикалық криосуытқыш (жоғары қысымды гелий желілерін пайдаланады) арқылы жүзеге асырылады. Гиффорд МакМахон криосуытқыштары, импульстік түтік криосуытқыштары және Стирлинг криосуытқыштары кеңінен қолданылады, олар қажетті ең төменгі температура мен салқындату сыйымдылығына байланысты таңдалады. Криогендік технологияның соңғы жетістігі – магниттерді регенератор ретінде, сондай-ақ суытқыш ретінде пайдалану. Бұл құрылғылар магнитокалориялық эффект деп аталатын қағида бойынша жұмыс істейді.

Детektorлар

Көлденең бөлшектерді анықтау үшін әртүрлі криогендік детекторлар қолданылады. 30 К-қа дейінгі криогендік температураны өлшеу үшін Pt100 сенсорлары, кедергілік температура детекторы (RTD) пайдаланылады. 30 К-тан төмен температурада дәл өлшеу үшін кремний диоды қолдану қажет.