Криогеника

Изучение производства и поведения материалов при очень низких температурах

Азот — жидкость при температуре ниже −195,8 °C (77,3 K).

В физике криогеника — это производство и поведение материалов при очень низких температурах .

13-й Международный конгресс по охлаждению Международного института холода (IIR) (состоявшийся в Вашингтоне, округ Колумбия, в 1971 году) одобрил универсальное определение «криогеники» и «криогенного», приняв порог в 120 К (−153 °C), чтобы отличить эти термины от обычного охлаждения. ^{[1] [2] [3] [4]} Это логическая разделительная линия, поскольку нормальные точки кипения так называемых постоянных газов (таких как гелий , водород , неон , азот , кислород и обычный воздух ) лежат ниже 120 К, в то время как фреоновые хладагенты, углеводороды и другие распространенные хладагенты имеют точки кипения выше 120 К. ^{[5] [6]}

Открытие сверхпроводящих материалов с критическими температурами, значительно превышающими температуру кипения азота, вызвало новый интерес к надежным и недорогим методам производства высокотемпературного криогенного охлаждения. Термин «высокотемпературный криогенный» описывает температуры в диапазоне от температуры кипения жидкого азота, −195,79 °C (77,36 K; −320,42 °F), до −50 °C (223 K; −58 °F). ^[7] Открытие сверхпроводящих свойств впервые приписывается Хайке Камерлинг-Оннесу 10 июля 1908 года. Открытие произошло после того, как была получена возможность достигать температуры 2 К. Эти первые сверхпроводящие свойства были обнаружены в ртути при температуре 4,2 К. ^[8]

Криогеники используют температурную шкалу Кельвина или Ренкина , обе из которых измеряют от абсолютного нуля , а не более привычные шкалы, такие как шкала Цельсия , которая измеряет от точки замерзания воды на уровне моря ^{[9] [10]} или шкала Фаренгейта , которая измеряет от точки замерзания определенного соляного раствора на уровне моря. ^{[11] [12]}

Определения и различия

Криогеника

Отрасли техники, занимающиеся изучением очень низких температур (сверхнизких температур, т. е. ниже 123 К), способов их получения и поведения материалов при этих температурах.

Криобиология

Раздел биологии , занимающийся изучением воздействия низких температур на организмы (чаще всего с целью достижения криоконсервации ). Другие области применения включают лиофилизацию (сублимацию) фармацевтических ^[13] компонентов и лекарств.

Криоконсервация генетических ресурсов животных

Сохранение генетического материала с целью сохранения породы. Сохранение генетического материала не ограничивается нечеловеческими существами. Многие службы предоставляют генетическое хранение или сохранение стволовых клеток при рождении. Они могут использоваться для изучения генерации клеточных линий или для терапии стволовыми клетками . ^[14]

Криохирургия

Раздел хирургии, применяющий криогенные температуры для разрушения и уничтожения тканей, например, раковых клеток. Обычно называется криоабляцией . ^[15]

Криоэлектроника

Изучение электронных явлений при криогенных температурах. Примеры включают сверхпроводимость и прыжки с переменной длиной .

Крионика

Криоконсервация людей и животных с целью будущего возрождения. «Криогеника» иногда ошибочно используется в значении «крионика» в популярной культуре и прессе. ^[16]

Этимология

Слово криогеника происходит от греческого κρύος (криос) – «холодный» + γενής (генис) – «генерирующий».

Криогенные жидкости

Это схема инфракрасного космического телескопа, которому нужно холодное зеркало и инструменты. Один инструмент должен быть еще холоднее, и у него есть криоохладитель. Инструмент находится в области 1, а его криоохладитель — в области 3 в более теплой области космического корабля (см. MIRI (Mid-Infrared Instrument) или Космический телескоп Джеймса Уэбба ).

Криогенные жидкости с температурой кипения в градусах Кельвина ^[17] и градусах Цельсия.

Промышленное применение

Сосуд Дьюара среднего размера заполняется жидким азотом из более крупного криогенного резервуара для хранения.

Сжиженные газы , такие как жидкий азот и жидкий гелий , используются во многих криогенных приложениях. Жидкий азот является наиболее часто используемым элементом в криогенике и легально продается по всему миру. Жидкий гелий также широко используется и позволяет достигать самых низких достижимых температур .

Эти жидкости можно хранить в сосудах Дьюара , которые представляют собой двухстенные контейнеры с высоким вакуумом между стенками для уменьшения передачи тепла в жидкость. Типичные лабораторные сосуды Дьюара имеют сферическую форму, сделаны из стекла и защищены металлическим внешним контейнером. Сосуды Дьюара для очень холодных жидкостей, таких как жидкий гелий, имеют еще один двухстенный контейнер, заполненный жидким азотом. Сосуды Дьюара названы в честь их изобретателя Джеймса Дьюара , человека, который первым сжижил водород . Термосы представляют собой меньшие вакуумные колбы, помещенные в защитный кожух.

Криогенные этикетки со штрих-кодом используются для маркировки сосудов Дьюара, содержащих эти жидкости, и не замерзают при температуре до -195 градусов по Цельсию. ^[18]

Криогенные перекачивающие насосы — это насосы, используемые на причалах СПГ для перекачки сжиженного природного газа из газовозов в резервуары для хранения СПГ , как и криогенные клапаны.

Криогенная обработка

Область криогеники продвинулась во время Второй мировой войны, когда ученые обнаружили, что металлы, замороженные до низких температур, демонстрируют большую устойчивость к износу. Основываясь на этой теории криогенного упрочнения , в 1966 году Билл и Эд Буш основали коммерческую криогенную перерабатывающую промышленность. Имея опыт работы в отрасли термообработки , братья Буш основали в Детройте компанию под названием CryoTech в 1966 году. ^[19] Первоначально Буш экспериментировал с возможностью увеличения срока службы металлических инструментов до 200–400 % от первоначального срока службы, используя криогенную закалку вместо термообработки . ^{[ требуется ссылка ]} В конце 1990-х годов это переросло в обработку других деталей.

Криогены, такие как жидкий азот , также используются для специальных приложений охлаждения и заморозки. Некоторые химические реакции, например, те, которые используются для производства активных ингредиентов для популярных статинов , должны происходить при низких температурах около −100 °C (−148 °F). Специальные криогенные химические реакторы используются для отвода тепла реакции и обеспечения низкотемпературной среды. Замораживание продуктов питания и биотехнологических продуктов, таких как вакцины , требует азота в системах шоковой заморозки или замораживания погружением. Некоторые мягкие или эластичные материалы становятся твердыми и хрупкими при очень низких температурах, что делает криогенное измельчение ( криомолибден ) вариантом для некоторых материалов, которые нелегко измельчать при более высоких температурах.

Криогенная обработка не заменяет термическую обработку, а скорее является расширением цикла нагрева-закалки-отпуска. Обычно, когда изделие закаливается, конечная температура равна температуре окружающей среды. Единственная причина этого заключается в том, что у большинства термических обработчиков нет охлаждающего оборудования. Нет ничего металлургически значимого в температуре окружающей среды. Криогенный процесс продолжает это действие от температуры окружающей среды до -320 °F (140 °R; 78 K; -196 °C). В большинстве случаев за криогенным циклом следует процедура термического отпуска. Поскольку все сплавы не имеют одинаковых химических компонентов, процедура отпуска варьируется в зависимости от химического состава материала, термической истории и/или конкретного применения инструмента.

Весь процесс занимает 3–4 дня.

Топливо

Другое применение криогеники — криогенное топливо для ракет с жидким водородом в качестве наиболее широко используемого примера. Жидкий кислород (LOX) используется еще более широко, но как окислитель , а не топливо. Рабочая лошадка NASA Space Shuttle использовала криогенное водородно-кислородное топливо в качестве основного средства выхода на орбиту . LOX также широко используется с керосином RP-1 , некриогенным углеводородом, например, в ракетах, построенных для советской космической программы Сергеем Королевым .

Русский производитель самолетов Туполев разработал версию своего популярного проекта Ту-154 с криогенной топливной системой, известную как Ту-155 . Самолет использует топливо, называемое сжиженным природным газом или СПГ, и совершил свой первый полет в 1989 году. ^[20]

Другие приложения

Астрономические приборы на Очень Большом Телескопе оснащены системами непрерывного охлаждения. ^[21]

Некоторые применения криогеники:

• Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) является одним из наиболее распространенных методов определения физических и химических свойств атомов путем обнаружения поглощенной радиочастоты и последующей релаксации ядер в магнитном поле. Это один из наиболее часто используемых методов характеризации, который применяется во многих областях. В первую очередь, сильные магнитные поля генерируются сверхохлаждающими электромагнитами, хотя существуют спектрометры , которым не требуются криогены. В традиционных сверхпроводящих соленоидах жидкий гелий используется для охлаждения внутренних катушек, поскольку его температура кипения составляет около 4 К при давлении окружающей среды. Для обмотки катушек можно использовать недорогие металлические сверхпроводники. Так называемые высокотемпературные сверхпроводящие соединения можно сделать сверхпроводящими с помощью жидкого азота, который кипит при температуре около 77 К.
• Магнитно-резонансная томография (МРТ) — это сложное применение ЯМР, где геометрия резонансов деконволюционируется и используется для визуализации объектов путем обнаружения релаксации протонов, которые были возмущены радиочастотным импульсом в сильном магнитном поле. Это чаще всего используется в медицинских приложениях.
• Криогенная электронная микроскопия (криоЭМ) — популярный метод в структурной биологии для изучения структур белков , клеток и других биологических систем. Образцы погружаются в замороженный криоген, например, жидкий этан, охлажденный жидким азотом, а затем хранятся при температуре жидкого азота, когда их вставляют в электронный микроскоп для получения изображений. Сами электронные микроскопы также охлаждаются жидким азотом.
• В крупных городах трудно передавать электроэнергию по воздушным кабелям, поэтому используются подземные кабели. Но подземные кабели нагреваются, и сопротивление провода увеличивается, что приводит к потере энергии. Сверхпроводники могут использоваться для увеличения пропускной способности электроэнергии, хотя для этого потребуются криогенные жидкости, такие как азот или гелий, для охлаждения кабелей, содержащих специальные сплавы, чтобы увеличить передачу энергии. Было проведено несколько технико-экономических исследований, и эта область является предметом соглашения в рамках Международного энергетического агентства .

Грузовик для доставки криогенных газов в супермаркете, Ипсиланти, Мичиган

• Криогенные газы используются для транспортировки и хранения больших масс замороженных продуктов . Когда очень большие объемы продуктов питания необходимо транспортировать в такие регионы, как зоны военных действий, регионы, пострадавшие от землетрясений и т. д., их необходимо хранить в течение длительного времени, поэтому используется криогенная заморозка продуктов питания. Криогенная заморозка продуктов питания также полезна для крупномасштабной пищевой промышленности.
• Многие инфракрасные ( переднего обзора ) камеры требуют криогенного охлаждения детекторов.
• Некоторые редкие группы крови хранятся в банках крови при низких температурах, например, -165°C.
• Криогенная технология с использованием жидкого азота и CO2 _была встроена в системы спецэффектов в ночных клубах для создания эффекта холода и белого тумана, который можно подсвечивать цветными огнями.
• Криогенное охлаждение используется для охлаждения режущей кромки инструмента во время обработки в процессе производства . Это увеличивает срок службы инструмента. Кислород используется для выполнения нескольких важных функций в процессе производства стали.
• Многие ракеты и лунные модули используют в качестве топлива криогенные газы. К ним относятся жидкий кислород, жидкий водород и жидкий метан.
• Замораживая автомобильную или грузовую шину в жидком азоте, резина становится хрупкой и может быть измельчена на мелкие частицы. Эти частицы могут быть повторно использованы для других предметов.
• Экспериментальные исследования некоторых физических явлений, таких как спинтроника и магнитотранспортные свойства, требуют криогенных температур для того, чтобы эффекты можно было наблюдать.
• Некоторые вакцины необходимо хранить при криогенных температурах. Например, вакцина Pfizer–BioNTech COVID-19 должна храниться при температуре от −90 до −60 °C (от −130 до −76 °F). (См. Холодовая цепь .) ^[22]

Производство

Криогенное охлаждение устройств и материалов обычно достигается с помощью жидкого азота , жидкого гелия или механического криоохладителя (который использует гелиевые линии высокого давления). Криоохладители Гиффорда-Мак-Магона , криоохладители с импульсной трубкой и криоохладители Стирлинга широко используются с выбором на основе требуемой базовой температуры и охлаждающей способности. Новейшей разработкой в ​​криогенике является использование магнитов в качестве регенераторов, а также холодильников. Эти устройства работают по принципу, известному как магнитокалорический эффект.

Детекторы

Существуют различные криогенные детекторы , которые используются для обнаружения частиц.

Для измерения криогенной температуры до 30 К используются датчики Pt100 — резистивные датчики температуры (RTD) . Для температур ниже 30 К для точности необходимо использовать кремниевый диод .

Смотрите также

• Абсолютный ноль
• Самая низкая температура, зарегистрированная на Земле
• Криогенное измельчение
• Мгновенная заморозка
• Замороженные продукты

Ссылки

1. Международный словарь по холодильному оборудованию, http://dictionary.iifiir.org/search.php, архивировано 01.10.2019 на Wayback Machine .
2. Терминология ASHRAE, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology.
3. "Криогеника обычно определяется как наука и технология, имеющие дело с температурами ниже примерно 120 К [4, 5], хотя этот обзор не придерживается строгого определения 120 К". К. Д. Тиммерхаус, Р. Рид. Криогенная инженерия: пятьдесят лет прогресса . Springer Science+Business Media LLC (2007), глава: 1.2, Начало криогеники, стр. 7.
4. "О криогенике". В терминах шкалы Кельвина криогенной областью часто считается область ниже примерно 120 К (−153 С).
5. "ДИХЛОРДИФТОРМЕТАН в Pubchem".
6. "ПРОПАН в Pubchem".
7. Дж. М. Нэш, 1991, «Устройства вихревого расширения для высокотемпературной криогеники», Труды 26-й Межобщественной конференции по инженерному преобразованию энергии, т. 4, стр. 521–525.
8. Радебо, Р. (2007), Тиммерхаус, Клаус Д.; Рид, Ричард П. (ред.), «Историческое резюме криогенной деятельности до 1950 года», Криогенная инженерия , Международная серия монографий по криогенике, Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer, стр. 3–27, Bibcode : 2007cren.book....3R, doi : 10.1007/0-387-46896-x_1 , ISBN 978-0-387-46896-9.
9. Цельсий, Андерс (1742) «Observationer om twänne beständiga Grader på en thermometer» (Наблюдения за двумя стабильными градусами на термометре), Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar (Труды Шведской королевской академии наук), 3 : 171–180 и рис. 1.
10. Дон Риттнер ; Рональд А. Бейли (2005): Энциклопедия химии. Факты в архиве , Манхэттен , Нью-Йорк, стр. 43.
11. Температурная шкала Фаренгейта, Encyclopaedia Britannica Online. 25 сентября 2015 г.
12. "Фаренгейт: факты, история и формулы преобразования". Live Science . Получено 2018-02-09 .
13. Эванс, Николь. «Что такое криобиология?». www.societyforcryobiology.org . Получено 27.11.2023 .
14. Хант, Чарльз (3 апреля 2011 г.). «Криоконсервация стволовых клеток человека для клинического применения: обзор». Transfusion Medicine and Hemotherapy . 38 (2): 107–123. doi :10.1159/000326623. PMC 3088734. PMID 21566712  . 
15. «Криохирургия для лечения рака». NCI . 21 июня 2021 г. Получено 27 ноября 2023 г.
16. "Крионика — это НЕ то же самое, что криогеника". Криогенное общество Америки . Архивировано из оригинала 2 декабря 2018 года . Получено 5 марта 2013 года .
17. Рэндалл Баррон, КРИОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ, McGraw-Hill Book Company .
18. Термал, Тимми. "Криогенные этикетки". MidcomData . Получено 11 августа 2014 г.
19. Ганц, Кэрролл (2015). Охлаждение: История. Джефферсон, Северная Каролина: McFarland & Company, Inc. стр. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
20. "Ту-155/Ту-156". www.globalsecurity.org . Проверено 27 ноября 2023 г.
21. "ESO подписывает лицензионное соглашение о передаче технологий для системы охлаждения" . Получено 11 июня 2015 г. .
22. "Pfizer–BioNTech COVID-19 Vaccine Vaccination Storage & Dry Ice Safety Handling". Pfizer-BioNTech. Архивировано из оригинала 24 января 2021 г. Получено 17 декабря 2020 г.

Дальнейшее чтение

• Хазелден, Г.Г. (1971), Основы криогеники , Academic Press, Нью-Йорк, ISBN 0-12-330550-0 .