Varför låga temperaturer?
av P M Berglund&R G Gylling Forum 1972-18, sida 33-34, 15.11.1972
Varför låga temperaturer?
Av P M Berglund och R G Gylling
När ett föremål nedkyls avlägsnar man värmeenergl från det och vissa effekter är märkbara redan efter en rätt obetydlig kylning. Vi har alla en tämligen klar bild av hur biologiska sönderfallsprocesser fördröjs genom nedkylning och frysning. De dramatiska effekter som uppträder i fasta ämnen då man kyler ned dem till temperaturer nära den absoluta nollpunkten!) är dock okända för de flesta av oss.
Den moderna lågtemperaturtekniken, kryotekniken fick sin början med den holländska fysikern Kamerlingh 1) den absoluta nollpunkten 0 K ligger vid —273,15? C.
Forum 18/1972
Onnes” upptäckt att helium övergår i vätskeform vid en temperatur av 4,2 K (ca —2699 C). Med hjälp av dessa låga temperaturer lyckades även Kamerlingh-Onnes 1911 påvisa att vissa metaller, främst undersökte han själv kvicksilver, övergick i ett supraledande eller motståndslöst tillstånd då de kyldes under en viss sk kritisk temperatur. Denna egenskap hos ett flertal metaller, undantag är sådana som är goda ledare I rumstemperatur och magnetiska metaller, utgör i dag grunden för ett stort antal lovande tekniska tillämpningar. :
Elektrotekniska tillämpningar av supraledningsfenomenet
Tillämpningarna av supraledningsfenomenet inom elektrotekniken innebär många uppenbara fördelar. Eftersom det elektriska motståndet helt försvinner skulle supraledande kablar för effektöverföring innebära betydande inbesparingar. Förlusterna förorsakade av det elektriska motståndet i hela kraftförsörjningsnätet i Finland kan i dag beräknas kosta omkring 100 miljoner mk per år. Naturligtvis återstår det ännu många olösta problem i samband : Å med supraledande kablar, men i USA X och Sovjetunionen har planeringen kom2 mit i gång.
Genom att låta en elektrisk ström cirkulera i en sluten spole av supraledande material åstadkommer man magneter där magnetfältet kan upprätthållas kontinuerligt utan tillförsel av energi utifrån. Med moderna metallegeringar kan man lätt bygga elektromagneter som åstadkommer magnetfält över 10 Vs/m? (100 kilogauss) ?). Dessa mag 2) som jämförelse kan nämnas att magnet : fältet i Helsingfors förorsakat av jordmagnetismen är 5 X 10-5Vs/m?2 (0,5 gauss).
Vänd!
Kärndemagnetiseringskryostaten vid lågtemperaturlaboratoriet i Otnäs. Apparaten som är helt planerad och byggd i laboratoriet för mår kyla 1 kg koppar till en temperatur p 0.0004 K som är den lägsta temperatur som hittills uppmätts i världen.
3 neter upptar en bråkdel av det utrymme och väger endast en tusendedel av vad konventionella magneter gör. Energiförbrukningen då magnetfältet alstras i en supraledande magnet är några kWh, medan en motsvarande konventionell magnet fordrar en effekt av 2000—4000 kW kontinuerligt! Supraledande magneter har använts för stora likströmsmotorer främst i England och Japan. Den för närvarande största motorn är på 3250 hk och har använts för att driva en kylvattenpump vid ett kraftverk i England. De största fördelarna med supraledande magneter i motorer är att verkningsgraden ökar med några procent, vikten minskar med 50—380 9/9 och priset troligen blir lägre än för konventionella motorer. Det är sannolikt att sådana motorer kommer att användas speciellt i fartyg och andra komrmunikationsmedel där en viktminskning betyder mycket. Dethär tyder också de projekt på som har startats i många länder. I England kommer ett av flottans örlogsfartyg att provköras med en supraledande motor redan nästa sommar, i Japan kommer ett svävtåg där svävkraften alstras med hjälp av supraledande magneter att provköras nästa höst och i USA utvecklar man stora motorer möjligen med siktet inställt på behovet av enorma isbrytare för de arktiska farvattnen kring Alaskas nordkust.
Inom några år kan man vänta sig att teknologin nått så långt att växelströmsmotorer och -generatorer kan konstrueras med supraledare. Dethär kommer att innebära ett avgörande genombrott för denna nya teknik.
Kryoelektroniken ger känsliga mätinstrument
En ny gren av elektroniken, kryoelektroniken använder sig bland annat av vissa specialtillämpningar av supraledningsfenomenet. Med hjälp av de så kallade Josephson-elementen kan man konstruera mätinstrument som är upp till en miljon gånger så känsliga som de bästa konventionella instrumenten. Elementen baserar sig på de speciella egenskaperna hos en svag fog i en i övrigt supraledande ring. Egenskaperna hos denna ring gör det möjligt att mäta när magnetflödet inne i ringen ändras med en så liten mängd som ett flödeskvant som är 2x10-15Vs, Denna otroliga känslighet öppnar oanade möjligheter inom instrumenttekniken, och de potentiella tilllämpningarna är naturligtvis många. Av redan realiserade tilllämpningar kan nämnas bestämning av malmfyndigheter från flygplan, undersökning av människans hjärtverksamhet genom mätning av hjärtats magnetfält, uppspårning av ubåtar i undervattensläge samt en mängd synnerligen känsliga mätningar inom den fysikaliska och biokemiska forskningens område.
Dessa uppräknade tillämpningar av supraledningsfenomenet fordrar således flytande helium, dvs temperaturer omkring 4 K. Mången kanske anser att det här är tillräckligt för att tillämpningarna aldrig skall kunna användas inom industrin, men faktum är att 4 K är en lätt uppnådd temperatur i dag. De sk dewarkärlen där flytande helium uppbevaras finns att köpa fördelaktigt, och avkokningen är av storleksordningen 1 liter per dygn. Flytande helium kan köpas, och priset ligger omkring 50 mk per liter.
34
Köldforskning i Finland
Köldforskningen i Finland försiggår i två laboratorier, lågtemperaturlaboratoriet vid Tekniska högskolan i Otnäs och i Wihuris fysiklaboratorium vid Universitetet i Åbo. Det senare har specialiserat sig på grundforskning i temperaturområdet 1—120 K medan det förra närmast sysslar med grundforskning i temperaturområdet under 1 K och med tillämpad forskning vid 4,2 K, flytande heliumtemperatur. Betydelsen av låga temperaturer för grundforskningen ligger i möjligheterna att studera finstrukturen hos olika fasta ämnen och i studiet av sådana fenomen som bara förekommer vid dessa låga temperatuter, t ex supraledning och supraflöde. Genom att sänka provstyckets temperatur minskar man de termiska svängningarna i kroppen som strävar att åstadkomma oordning mellan kroppens molekyler, atomer och atomkärnor. På så sätt åstadkommer man en viss ordning mellan partiklarna och kan då observera effekterna av ytterst svaga växelverkningar. Man kan också säga att då man minskar på ktoppens värmeenergi tvingar man partiklarna att besätta de lägsta energinivåerna varefter man kan koncentrera sig på att studera denna del av energispektret i detalj. Lågtemperaturlaboratoriet i Otnäs har varit verksamt sedan 1965 och har utvecklats till ett av de ledande forskningsaboratorierna i världen på detta område, I laboratoriet använder man sig av alla kända metoder för kylning under 0,5 K, och all apparatur som används har konstruerats av aboratoriets personal. Hemligheten med laboratoriets framgång ligger antagligen i tillgången till goda studenter som fått både en gedigen ingenjörsutbildning och en fysikutbildning vid Tekniska högskolan. Forskningsarbetet har under hela tiden varit synnerligen tekniskt till sin natur eftersom den viktigaste förutsättningen för framgångsrika mätningar ligger i tillgången till goda apparater. Laboratoriet har även verkat som teknisk rådgivare för andra laboratorier i Sverige, Tyskland, Danmark och USA. Till flera laboratorier har man levererat komplicerade forskningsinstrument som planerats och byggts i Otnäs.
Forts. på sid. 52
Platina kärnresonanstermometer för temperaturområdet 0.0001 K — 1 K som utvecklats i samarbete mellan lågtemperaturlaboratoriet i Otnäs och industrin. (Bilden publiceras med tillåtelse av Instruments for Technology Oy, Ab.)
Forum 18/1972