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

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Heidelberg TestSpeicherRing TSR

Druck= 3*10-11 mbar:

Umfang: 55m

Injektionsbahn

1 Mio. Umläufe/s

Ring wird bei Raumtemperatur betrieben

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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

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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

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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

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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

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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