Криогеника: Изучение низких температур и свойств материалов

Введение

Исследование производства и поведения материалов при очень низких температурах

В физике криогеника – это изучение производства и поведения материалов при очень низких температурах. На 13-м Международном конгрессе холодильной техники Международного института холодильной техники (IIR) (прошедшем в Вашингтоне в 1971 году) было принято универсальное определение терминов "криогеника" и "криогенный", чтобы отделить их от традиционных методов охлаждения. Это логическая граница, поскольку нормальные температуры кипения так называемых постоянных газов (таких как гелий, водород, неон, азот, кислород и обычный воздух) лежат ниже 120 К, в то время как фреоны, углеводороды и другие распространенные хладагенты имеют температуры кипения выше 120 К.

Открытие сверхпроводящих материалов с критическими температурами, значительно превышающими температуру кипения азота, вновь пробудило интерес к надежным и недорогим методам получения высокотемпературного криогенного охлаждения. Термин "высокотемпературная криогеника" описывает температуры в диапазоне от температуры выше точки кипения жидкого азота до температуры выше точки кипения жидкого азота. Открытие сверхпроводящих свойств впервые приписывается Хайке Камерлинг Оннесу 10 июля 1908 года. Это произошло после достижения температуры 2 К. Первые сверхпроводящие свойства были обнаружены в ртути при температуре 4,2 К.

Криогены используют температурные шкалы Кельвина или Ранкина, которые отсчитываются от абсолютного нуля, а не более привычные шкалы Цельсия, отсчитываемой от точки замерзания воды на уровне моря, или Фаренгейта, отсчитываемой от точки замерзания определенного солевого раствора на уровне моря.

Определения и различия

Криогеника – отрасли техники, изучающие очень низкие температуры (сверхнизкие температуры, то есть ниже 123 К), способы их получения и поведение материалов при этих температурах. Криобиология – раздел биологии, изучающий влияние низких температур на организмы (чаще всего с целью криоконсервации). Другие применения включают лиофилизацию (сублимационную сушку) фармацевтических компонентов и лекарственных средств. Криоконсервация генетических ресурсов животных – сохранение генетического материала с целью сохранения породы. Сохранение генетического материала не ограничивается животными. Многие службы предоставляют услуги по хранению генетического материала или сохранению стволовых клеток при рождении. Они могут использоваться для изучения генерации клеточных линий или для клеточной терапии. Криохирургия – раздел хирургии, применяющий криогенные температуры для разрушения и уничтожения тканей, например, раковых клеток. Обычно называется криоабляцией. Криоэлектроника – изучение электронных явлений при криогенных температурах. Примеры включают сверхпроводимость и переменно-диапазонную проводимость. Крионика – криоконсервация людей и животных с целью их будущего оживления. "Криогеника" иногда ошибочно используется для обозначения "Крионики" в популярной культуре и средствах массовой информации.

Этимология

Слово криогеника происходит от греческого κρύος (криос) – "холод" + γενής (генис) – "порождающий".

Криогенные жидкости

Криогенные жидкости с точками кипения в Кельвинах и градусах Цельсия. Жидкость Точка кипения (K) Точка кипения (°C) Гелий-3 3.19 269.96 Гелий-4 4.214 268.936 Водород 20.27 252.88 Неон 27.09 246.06 Азот 77.09 196.06 Воздух 78.8 194.35 Фтор 85.24 187.91 Аргон 87.24 185.91 Кислород 90.18 182.97 Метан 111.7 161.45

Промышленные применения

Сжиженные газы, такие как жидкий азот и жидкий гелий, используются во многих криогенных применениях. Жидкий азот является наиболее часто используемым веществом в криогенике и может быть законно приобретен по всему миру. Жидкий гелий также широко используется и позволяет достигать самых низких возможных температур. Эти жидкости могут храниться в колбах Дьюара, представляющих собой контейнеры с двойными стенками и высоким вакуумом между ними для снижения теплопередачи в жидкость. Типичные лабораторные колбы Дьюара имеют сферическую форму, изготавливаются из стекла и защищены металлическим внешним корпусом. Колбы Дьюара для особо холодных жидкостей, таких как жидкий гелий, имеют дополнительный двойной контейнер, заполненный жидким азотом. Колбы Дьюара названы в честь их изобретателя, Джеймса Дьюара, который первым сжижил водород. Термосы – это небольшие вакуумные колбы, помещенные в защитный корпус. Криогенные этикетки со штрих-кодом используются для маркировки колб Дьюара, содержащих эти жидкости, и сохраняют читаемость при температуре до −195 градусов Цельсия. Криогенные перекачивающие насосы используются на причалах для перекачки сжиженного природного газа из танкеров СПГ в резервуары хранения СПГ, наряду с криогенными клапанами.

Криогенная обработка

Во время Второй мировой войны область криогеники достигла значительного прогресса, когда ученые обнаружили, что металлы, охлажденные до низких температур, демонстрируют повышенную износостойкость. Основываясь на этой теории криогенного упрочнения, Билл и Эд Буш основали коммерческую индустрию криогенной обработки в 1966 году. Имея опыт работы в области термической обработки, братья Буш основали в Детройте компанию CryoTech в 1966 году. Изначально Буш экспериментировал с возможностью увеличения срока службы металлических инструментов на 200–400% по сравнению с ожидаемым сроком службы при использовании криогенной отпуски вместо термической обработки. В конце 1990-х годов эта технология стала применяться к другим деталям. Криогены, такие как жидкий азот, также используются для специализированного охлаждения и замораживания. Некоторые химические реакции, например, те, которые используются для производства активных ингредиентов популярных статинов, должны протекать при низких температурах, приблизительно. Специальные криогенные химические реакторы используются для отвода тепла реакции и обеспечения низкотемпературной среды. Замораживание продуктов питания и биотехнологических продуктов, таких как вакцины, требует использования азота в системах шоковой заморозки или погружной заморозки. Определенные мягкие или эластичные материалы становятся твердыми и хрупкими при очень низких температурах, что делает криогенное измельчение (криофрезерование) подходящим вариантом для материалов, которые трудно измельчать при более высоких температурах. Криогенная обработка не является заменой термической обработки, а скорее ее расширением, включающим циклы нагрева, закалки и отпуска. Обычно, при закалке, конечная температура составляет комнатную. Это связано лишь с тем, что большинство предприятий термической обработки не располагают охлаждающим оборудованием. Комнатная температура не имеет существенного металлургического значения. Криогенный цикл в большинстве случаев дополняется процедурой тепловой отпуски. Поскольку химический состав сплавов различен, процедура отпуска варьируется в зависимости от химического состава материала, его термической истории и/или конкретного назначения инструмента. Весь процесс занимает 3–4 дня.

The field of cryogenics advanced during World War II when scientists found that metals frozen to low temperatures showed more resistance to wear. Based on this theory of cryogenic hardening, the commercial cryogenic processing industry was founded in 1966 by Bill and Ed Busch. With a background in the heat treating industry, the Busch brothers founded a company in Detroit called CryoTech in 1966. Busch originally experimented with the possibility of increasing the life of metal tools to anywhere between 200% and 400% of the original life expectancy using cryogenic tempering instead of heat treating. This evolved in the late 1990s into the treatment of other parts. Cryogens, such as liquid nitrogen, are further used for specialty chilling and freezing applications. Some chemical reactions, like those used to produce the active ingredients for the popular statin drugs, must occur at low temperatures of approximately Special cryogenic chemical reactors are used to remove reaction heat and provide a low temperature environment. The freezing of foods and biotechnology products, like vaccines, requires nitrogen in blast freezing or immersion freezing systems. Certain soft or elastic materials become hard and brittle at very low temperatures, which makes cryogenic milling (cryomilling) an option for some materials that cannot easily be milled at higher temperatures. Cryogenic processing is not a substitute for heat treatment, but rather an extension of the heating–quenching–tempering cycle. Normally, when an item is quenched, the final temperature is ambient. The only reason for this is that most heat treaters do not have cooling equipment. There is nothing metallurgically significant about ambient temperature. The cryogenic process continues this action from ambient temperature down to In most instances the cryogenic cycle is followed by a heat tempering procedure. As all alloys do not have the same chemical constituents, the tempering procedure varies according to the material's chemical composition, thermal history and/or a tool's particular service application. The entire process takes 3–4 days.

Топливо

Еще одно применение криогеники – криогенное топливо для ракет, где наиболее распространенным примером является жидкий водород. Жидкий кислород (LOX) используется еще шире, но как окислитель, а не топливо. Рабочая лошадка NASA, космический шаттл, использовал криогенное водородно-кислородное топливо в качестве основного средства вывода на орбиту. LOX также широко применяется с керосином RP-1, некриогенным углеводородом, например, в ракетах, созданных для советской космической программы Сергеем Королевым. Российский авиастроительный концерн Туполев разработал версию своего популярного самолета Ту-154 с криогенной топливной системой, получившую название Ту-155. Самолет использует топливо, известное как сжиженный природный газ или СПГ, и совершил свой первый полет в 1989 году.

Производство

Криогенное охлаждение устройств и материалов обычно достигается с использованием жидкого азота, жидкого гелия или механического криокулера (который использует гелиевые линии высокого давления). Криокулеры Гиффорда-МакМэхона, импульсные трубчатые криокулеры и криокулеры Стирлинга широко применяются, при этом выбор зависит от требуемой минимальной температуры и охлаждающей способности. Новейшим достижением в криогенике является использование магнитов в качестве регенераторов и холодильных установок. Эти устройства работают на основе принципа, известного как магнитокалорический эффект.

Детекторы

Существуют различные криогенные детекторы, используемые для регистрации частиц. Для измерения криогенных температур до 30 К применяются датчики Pt100, являющиеся резистивными термометрами сопротивления (RTD). Для температур ниже 30 К для обеспечения точности необходимо использовать кремниевый диод.