5910202257

3

1. Wprowadzenie do kriogeniki

barierę 1 K, osiągając 0,83 K. Dzięki rozwojowi pomp próżniowych, następca Kamerlingh Onnesa - Keesom, stosując wysoce wydajną pompę dyfuzyjną uzyskał w 1932 roku temperaturę 0,71 K. Jest to w zasadzie najniższa temperatura, jaką można osiągnąć, posługując się izotopem helu ⁴He wrzącym pod obniżonym ciśnieniem i równocześnie stanowi umowną granicę pomiędzy niskimi i ultraniskimi temperaturami. Ograniczenie to nie wynika z pojawienia się fazy stałej (hel przy niskich ciśnieniach nie zamarza), ale jest konsekwencją ograniczeń techniki próżniowej, która nie pozwala na obniżenie ciśnienia par odprowadzanych znad lustra wrzącej cieczy poniżej około 10“² Pa. Stosując izotop helu ³He charakteryzujący się niższą normalną temperaturą wrzenia (3,1 K), można poprzez obniżanie ciśnienia, obniżyć temperaturę wrzącej cieczy do około 0,3 K. Jest to graniczna temperatura, którą można osiągnąć poprzez wrzenie gazu pod obniżonym ciśnieniem.

Temperatur}’ z zakresu pojedynczych milikelwinów można uzyskać, wykorzystując izotop ³He w' procesach rozcieńczania w nadcieklym izotopie ⁴He oraz adiabatycznego zestalania ³He pod podwyższonym ciśnieniem (efekt Pomerańczuka). W przypadku adiabatycznego rozmagnesowania soli paramagnetycznych osiągane mogą być temperatury niższe od 1 milikelwina, a rozmagnesowanie spinów jąder prowadzi do rekordowo niskich temperatur równych nawet ułamkom nanokelwina. Rekordowo niską temperaturę 280 pK (10^-12) osiągnięto w laboratorium w Helsinkach w roku 1993, rozmagnesowując spiny jąder atomów rodu.

Temperatuiy rzędu 10~⁹ K uzyskano w roku 2000 dzięki zastosowaniu chłodzenia laserowego grupy atomów rubidu, co w efekcie doprowadziło do powstania kondensatu Bosego-Einsteina. Temperatury te osiągnięto dzięki opanowania technologii laserowego chłodzenia i pulapkowania atomów obojętnych. Ponieważ w ten sposób uzyskuje się spowolnienie stosunkowo niewielkiej ilości atomów (rzędu kilku tysięcy), więc metoda ta nie ma znaczenia praktycznego w technice niskich temperatur. Historyczny rozwój metod uzyskiw ania niskich temperatur przedstawia rysunek 1.1.

Opanowanie technologii skraplania i przechowywania powietrza i jego składników pozwoliło na wykorzystywanie tych gazów w procesach przemysłowych. Zastosowanie metod kriogenicznych w przemyśle wytwarzającym gazy techniczne datuje się od przełomu XIX i XX wieku. W roku 1895 Carl von Linde po raz pierwszy zastosował na skalę przemysłową metodę skroplenia powietrza, a następnie w roku 1902 jego rektyfikacji. W procesie skroplenia powietrza Linde wykorzystał zjawisko izentalpo-wego dławienia (efekt Joule-Thomson‘a) powietrza wstępnie oziębionego w rekupera-cyjnym wymienniku ciepła. W roku 1902 Georges Claude wykorzystał cykl z rozprę-żarką do skroplenia powietrza. Pierwsze rozprężarki Claude’a były tłokowymi maszynami powstałymi na bazie maszyn parowych z uszczelnieniami wykonanymi ze skór}'. Rozpoczęcie produkcji gazów technicznych (szczególnie tlenu) na skalę przemysłową umożliwiło szybki rozwój metalurgii i przemysłu maszynowego. Od początku XX wieku skala produkcji gazów technicznych jest jednym ze wskaźników rozwoju gospodarczego kraju.