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Physik am SamstagmorgenMärz 2007
EISKALT SPEICHERN
von 293 K auf 2 K
Physik am Samstagmorgen März 2007
Inhalt• Motivation für einen tiefkalten Speicherring
• Einleitung in die Kryotechnik– Temperaturskala, Kryogenik– LN2 Eigenschaften und Effekte
• Materialwissenschaft– Versprödung bei niedrigen Temperaturen
• Elektromagnetismus– Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur
• Stofftheorie und kin. Gastheorie– Abhängigkeit der Luminiszenz von der Temperatur– Gasgesetze– Kondensation/Verdampfung
Physik am Samstagmorgen März 2007
Heidelberg TestSpeicherRing TSR
Druck= 3*10-11 mbar:
Umfang: 55m
Injektionsbahn
1 Mio. Umläufe/s
Ring wird bei Raumtemperatur betrieben
Physik am Samstagmorgen März 2007
Molekülphysik am TSR
Beispiel: HD+ + e- H + DNeutrale H and D
e-
HD+
Um Molekülionen bei T=10 K zu erhalten
ist ein Cryogenischer SpeicherRing CSR notwendig!
Rekombinationsrate hängt stark vom Quanten-zustand ab
•Bei Raumtemperatur sind Rotations- und Vibrationszustände angeregt
•Eindeutige Messung, wenn alle Zustände im Grundzustand. Dies ist bei
T< 10 K der Fall
Physik am Samstagmorgen März 2007
Dampfdruckkurven
44.5 K
H2
2 K
Sinn der 2 K :
•Reduktion der Hintergrundstrahlungs-heizung auf die Molekülionen
•Effektive Pumpleistung für Wasserstoff zur Gewährleistung langer Speicherzeiten
Physik am Samstagmorgen März 2007
Wie sieht ein Kryostat aus
2 K Vakuum-Kammer
2 K Helium-Leitung
3 Prozesse heizen die kalte Kammer :
Gasfluß
(Konvektion)
Wärmestrahlung
Wärmeleitung
Plancksche Strahlungsgesetz: P ~ 170 kW
1W verdampft bei 4,5 K ca. 1 l He/h
1 l He kostet ca. 5 €
Verbrauch ca. 850000€/h
Ionenstrahl
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1E-6 mbar
Pumpe
300 K
2 K
Wie sieht ein Kryostat aus
Schutz vor Konvektion
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300 K
2 K
40 K
Superisolation
Wie sieht ein Kryostat aus
Schutz vor Wärmestrahlung
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4,5 K Helium-Leitungen
Wie sieht ein Kryostat aus
Schutz vor Wärmeleitung
2 K Leitung
Haltedrähte
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Kompressor
Ölabscheider
COLD BOX
Heliumspeicher
Helium-Kälteanlage
CSR
He-Pumpe
Wärmetauscher
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Verbindungs-Box
Cold Box
Helium-Puffer
Kompressor
LN-Behälter
300 K, 15 bar
4,5 K, 1 bar
2 K, 16 mbar
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Wasser kocht
Raumtemperatur
Wasser gefriert
KältetechnikKryotechnik
Stickstoff kocht Stickstoff gefriert Helium kocht CSR Betriebsmodus Absoluter Nullpunkt
Kelvin Celsius
373 100°
295 22°
273.15 0°
120 -153°
77 -196° 63 -210°
4.2 -269° 1.8 -271° 0 -273°
Temperatur-Skalen
Physik am Samstagmorgen März 2007
Kryogene
• Farb- und geruchlos
• Hauptkomponente d. Luft (79%)
• Verflüssigungstemp.: -196°C
• Herstellung d. Luftverflüssigung
• Farb- und geruchlos, Edelgas
• Spurenanteile in Luft
• Verflüssigungstemp.: -269°C
• Erdgasquellen
HeliumStickstoff
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Leidenfrost
• Oberflächenspannung • Leidenfrost-Effekt
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Materialwissenschaft
• Versprödung bei tiefen Temperaturen
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Stofftheorie
• Gasgesetze • Verdampfung/Konden-sation
Physik am Samstagmorgen März 2007
Resistance of metals
0 50 100 150 200 250 300
Temperature [K]
Ele
ctri
c re
sist
ance
• Supraleitung
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Luminiszenz
• Lumineszenz • Ausflug in die Chemie:Chemieluminiszenz