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