Криогеника

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето
Течен азот
Ова е дијаграм на инфрацрвен вселенски телескоп, кој има потреба од ладно огледало и инструменти. Еден инструмент треба да биде уште поладен, и има криоокулатор. Инструментот е во регионот 1, а неговиот криоокулатор е во регионот 3 во потоплите региони на вселенското летало. 

Во физиката, криогениката е производство и однесување на материјали на многу ниски температури. Лице кое ги проучува елементите кои биле подложени на екстремно ниски температури се нарекува криогеничар.

Сè уште, не е добро дефинирана во која точка на температурната скала завршува ладењето и почнува криогениката, но научниците претпоставуваат дека гасот треба да биде низок ако може да биде во течна состојба, под -150 °C. Националниот институт за стандарди и технологија на САД избрал да го разгледа полето на криогениката како оној кој вклучува температури под -180 °C. Ова е логична линија на поделба, бидејќи нормалните точки на вриење на таканаречените постојани гасови (како што се хелиум, водород, неон, азот, кислород и нормален воздух) лежат под -180 °C, додека фреонските разладувачи, јаглеводородите и други вообичаени ладилни средства имаат точки на вриење над -180 °C.

Откривањето на суперспроводливи материјали со критични температури значително над точката на вриење на течен азот, пројави нов интерес за долготрајни, ниски трошоци за производство на високотемпературни криогенски ладења. Терминот „криогени за висока температура“ ги опишува температурите кои се движат од над точката на вриење на течен азот, -195,79 °C, општо дефинирана горна граница на студија која се нарекува криогеника.

Криогенистите ја користат температурната скала на Келвин или Ранкин, и двете се мерат од апсолутна нула, наместо вообичаените скали како Целзиусовата или Фаренхајтовата скала, со нули на произволни температури.

Дефиниции и разлики[уреди | уреди извор]

Криогеника
Гранките на инженерството, кои вклучуваат проучување на многу ниски температури, како да ги произведат, и како материјалите се однесуваат на тие температури.
Криобиологија
Оваа гранка на биологијата вклучува проучување на ефектите од ниските температури на организми (најчесто со цел да се постигне криопрезервација).
Криоконзервативност на животински генетски ресурси
Зачувување на генетскиот материјал, со намера чување на некој вид.
Криохирургија   
Оваа гранка на операција, претставува употреба на ниски температури за да се уништат малигните ткива, на пр. на клетките на ракот.
Криоелектроника
Студија на електронски феномени за време на криогенските температури. Примери за тоа претставуваат суперкондуктивноста и варијациите на варијабилниот опсег.
Криотроника
Практична примена на криоелектрониката.
Крионика
Криозачувување луѓе и животни со намера за остварување на идејна преродба. „Криогениката“ понекогаш погрешно се користи со значење „Крионика“ во популарната култура и медиумите.[1]

Етимологија[уреди | уреди извор]

Зборот cryogenics произлегува од грчкиот κρύο (крио) – „студена“ + γονική (геника) – „имаат врска со производство“.

Ниски температури течности[уреди | уреди извор]

Криогенски флуиди со нивните точки на вриење во Келвини[2]

Течност Точка на вриење (К)
Хелиум-3 3,19
Хелиум-4 4,214
Водород 20,27
Неонски 27,09
Азот 77,09
Воздух 78,8
Флуор 85,24
Аргон 87,24
Кислород 90,18
Метан 111,7

Употреба во индустријата[уреди | уреди извор]

Течни гасови, како што се течен азот и течен хелиум, имаат најразлична примена. Течниот азот е најчесто користениот елемент во криогениката и може легално да се купи низ целиот свет. Течен хелиум, исто така, најчесто се користи и овозможува најниска температура која може да се достигне.

Овие течности може да се складираат во колбарите Дјуар, кои се двостепени контејнери со висок вакуум помеѓу ѕидовите за да се намали преносот на топлина во течноста. Типични лабораториски садови од Дjуар се сферични, направени од стакло и заштитени во метален надворешен контејнер. Колбите на Дјуар за екстремно ладни течности како течен хелиум имаат уште еден контејнер со двоен ѕид исполнет со течен азот. Колбите од Дjуар се именувани по нивниот пронаоѓач, Џејмс Дјуар, човекот кој прв го доведе водородот во течна состојба. Термос шишиња се помали вакуумски колби што се вградени во заштитното куќиште

Етикетите за криогенски баркод се користат за означување на колбари од Дјуар кои ги содржат овие течности и нема да мраз над -195 Целзиусови степени

Криогеничните трансферни пумпи се пумпите кои се користат на ЛНГ, за пренос на течен природен гас од ЛНГ превозници до резервоари за складирање на ЛНГ, како и криогенски вентили

Ниска температурна обработка[уреди | уреди извор]

Полето на криогениката напредувало за време на Втората светска војна кога научниците откриле дека металите замрзнати на ниски температури покажале поголема отпорност на абење. Врз основа на оваа теорија на криогенското стврднување, комерцијалната индустрија за нискокалогна обработка е основана во 1966 година од страна на Ед Буш. Со позадина во индустријата за обработка на топлина, Буш основана компанија во Детроит наречена CryoTech во 1966 година. Во 1999 година, за да стане најголемата и најстарата комерцијална компанија за обработка на ниски температури во светот. Буш првично експериментирал со можноста за зголемување на животниот век на металните алати на кое било место помеѓу 200% и 400% од оригиналниот животен век со користење на криогенски калење наместо топлинска обработка. Ова еволуирало кон крајот на 1990-тите во третманот на другите делови.

Криогените, како течниот азот, понатаму се користат за специјални апликации за ладење и замрзнување. Некои хемиски реакции, како оние што се користат за производство на активни состојки за популарни лекови на статин, мора да се појават при ниски температури од околу -100 °C (-148 °F). Посебни криогенски хемиски реактори се користат за отстранување на топлината на реакцијата и обезбедување ниска температура. Замрзнувањето на прехранбените производи и биотехнолошките производи, како што е вакцините, бара азот во системи за замрзнување на замрзнување или замрзнување со потопување. Одредени меки или еластични материјали стануваат цврсти и кршливи при многу ниски температури, што го прави криогеното мелење (cryomilling) опција за некои материјали кои не можат лесно да се мелат на повисоки температури

Криогената обработка не е замена за термички третман, туку за продолжување на циклусот на загревање - калење. Нормално, кога предметот е угаснет, конечната температура е амбиентална. Единствената причина за ова е што повеќето топлински трејдери немаат опрема за ладење. Нема ништо металуршки значајно во однос на температурата на околината. Криогениот процес го продолжува ова дејство од температурата на околината до  -196 ° C. Во повеќето случаи, криогенскиот циклус е проследен со процедура за затоплување на топлина. Со оглед на тоа што сите легури немаат исти хемиски состојки, постапката за калење варира во зависност од хемискиот состав на материјалот, термичката историја и / или апликацијата за одредена услуга на алатот

Целиот процес трае 3-4 дена.

Горива[уреди | уреди извор]

Друга употреба на криогениката се криогенските горива за ракети со течен водород како најшироко користен пример. Течниот кислород (LOX) е уште пошироко користен, но како оксидатор, а не гориво. Вселенскиот шатл на НАСА за работна сила, користел низок водороден / кислороден погонски материјал како основно средство за влегување во орбитата. LOX е широко користен и со керозин RP-1, некриогенен јаглеводород, како што се ракетите изградени за советската вселенска програма од Сергеј Королев.

Рускиот произведувач на авиони Туполев развил верзија на популарниот дизајн Ту-154 со систем за ниски температури, познат како Ту-155. Авионот користи гориво што се нарекува течен природен гас или ЛНГ и својот прв лет го имал во 1989 година.

Други примени[уреди | уреди извор]

Астрономските инструменти  Големиот Телескоп се опремени со континуиран проток за ладење на системите.[3]

Некои примени на криогениката:

  •  Нуклеарна магнетна резонанца (NMR) е еден од најчестите методи за одредување на физичките и хемиските својства на атомите со откривање на апсорбираната радиофреквенција и последователно релаксација на јадра во магнетно поле. Ова е една од најчесто користените техники на карактеризација и има апликации во многу области. Првенствено, силните магнетни полиња се генерираат со супер-ладење електромагнети, иако постојат спектрометри кои не бараат криоген. Во традиционалните соленоидови за суперспроводливост, течен хелиум се користи за ладење на внатрешните калеми, бидејќи има точка на вриење од околу 4 K при амбиентен притисок. Евтините метални суперпроводници може да се користат за каблирање на серпентина. Т.н. високотемпературни суперкомпјутерски соединенија може да се направат со супер-однесување со употреба на течен азот кој врие околу 77 К
  • Магнетната резонанца (МРИ) е сложена примена на NMR каде што геометријата на резонансите се деконволтира и се користи за да се насликаат објекти со откривање на релаксација на протони кои биле вознемирени од радиофреквентниот пулс во силното магнетно поле. Ова најчесто се користи во здравствени апликации.
  • Во големите градови, пренос на електрична енергија е тешко да се пренесува електрична енергија од надземни кабли во големите градови, така што се користат подземни кабли. Но, подземните кабли се загреваат и отпорноста на жицата се зголемува што води кон губење на моќта. Суперпроводниците може да се искористат за зголемување на пропусната моќност, иако за нив ќе треба да се користат кримогени течности, како што се азот или хелиум, за да се оладат специјални кабли за легури за зголемување на моќноста. Неколку физибилити студии се спроведени и полето е предмет на договор во рамките на Меѓународната агенција за енергија.
Ниска температурна испорака на гасови, во камион до еден супермаркет, 
  • Ниски температури гасови се користат во транспортот и складирањето на големи маси на замрзната храна. Кога многу големи количини на храна мора да се транспортира до региони како воени зони, земјотрес ја погоди региони, итн., тие мора да се чуваат за долго време, па ниски температури храна замрзнување се користи. Ниски температури замрзнување храна е исто така корисно за големи преработка на храна индустрии.
  • Многу инфра-црвени  камери бараат нивните детектори да бидат на нискотемпературно ладење.
  • Одредени ретки крвни групи се чуваат на ниски температури, -165 °C во крвните банки.
  • Криогениката е технологија со користење на течен азот и CO2 , која е вградема во ноќен клуб за да се создаде застрашувачки ефект и бела магла кои може да се активираат со обоени светлини.
  • Ниските температури за ладење се користат за да се излади алатката за време на обработка во процесот на производство. Тоа го зголемува животот на алатката. Кислород се користи за да се извршат неколку важни функции во  процесотот на производство.
  • Многу ракети користат ниски температурни гасови како горива. Овие вклучуваат течен кислород, течен водород, и на течен метан.
  • Со замрзнување на автомобил или камионски гуми во течен азот, гумата се направи кршлива и да можат да бидат мелени во мали честички. Овие честички можат да се користат повторно за други предмети.
  • Експериментални истражувања на одредени физика феномени, како што се спинтроникс и магнетотранспортни својства, бара ниски температури температури за ефектите да бидат забележани.

Производство[уреди | уреди извор]

Криогеното ладење на уредите и материјалот обично се постигнува преку употреба на течен азот, течен хелиум или механички криокулер (кој користи хелиумски линии со висок притисок). Gryfford-McMahon cryocoolers, крио-целуловите со пулсова цевка и Стирлинг-лаптоп-лабораториите се во широка употреба со избор врз основа на потребната базична температура и капацитет за ладење. Најновиот развој во криогениката е употребата на магнети како регенератори, како и фрижидери. Овие уреди работат на принципот познат како магнетокалоричен ефект.

Детектори[уреди | уреди извор]

Постојат различни ниски температури детектори кои се користат за откривање на употреба при ниски температури честички.

За мерење на криогенското мерење на температурата до 30K, се користат сензори Pt100, детектор на температура на отпор (RTD). За температури пониски од 30K потребно е да се користи силикон диода за точноста.

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. "Cryonics is NOT the Same as Cryogenics". конс. 5 March 2013. 
  2. CRYOGENIC SYSTEMS BY RANDALL BARRON McGraw-Hill Book Company.
  3. "ESO Signs Technology Transfer Licence Agreement for Cooling System". конс. 11 June 2015.