Kriogēnikas definīcija un lietojumi

Kriogēnika tiek definēta kā materiālu un to izturēšanās zinātniskais pētījums ar ļoti zemu līmeni temperatūras. Vārds nāk no grieķu valodas krio, kas nozīmē "auksts", un ģen, kas nozīmē "ražot". Ar šo terminu parasti sastopas fizikā, materiālu zinātnē un medicīnā. Zinātnieku, kurš pēta kriogēniku, sauc par a kriogēnists. Kriogēno materiālu var saukt par a kriogēns. Lai gan aukstu temperatūru var ziņot, izmantojot jebkuru temperatūras skalu, Kelvins un Rankine skalas ir visizplatītākās, jo tās ir absolūtas skalas kuriem ir pozitīvi skaitļi.

Par to, cik auksta viela ir jāuzskata par “kriogēnu”, ir jautājums, ko apspriež zinātnieku aprindas. ASV Nacionālais standartu un tehnoloģijas institūts (NIST) uzskata, ka kriogēnijā ietilpst temperatūra zem −180 ° C (93,15 K; −292.00 ° F), kas ir temperatūra, virs kuras izplatīti aukstumnesēji (piemēram, sērūdeņradis, freons) gāzes un zem kurām ir "pastāvīgās gāzes" (piemēram, gaiss, slāpeklis, skābeklis, neons, ūdeņradis, hēlijs) šķidrumi. Pastāv arī pētījumu lauks, ko sauc par "augstas temperatūras kriogēniku", kas ietver temperatūru virs viršanas punkta

Kriogēnu temperatūras mērīšanai nepieciešami īpaši sensori. Pretestības temperatūras detektorus (RTD) izmanto, lai veiktu 30 K temperatūras mērījumus. Zem 30 K bieži izmanto silīcija diodes. Kriogēno daļiņu detektori ir sensori, kas darbojas dažos grādos virs absolūtās nulles un tos izmanto fotonu un elementāro daļiņu noteikšanai.

Kriogēnos šķidrumus parasti glabā ierīcēs, kuras sauc par Dewar kolbām. Tie ir dubultā sienu konteineri, kuru izolācijai starp sienām ir vakuums. Dewar kolbām, kas paredzētas lietošanai ar īpaši aukstiem šķidrumiem (piemēram, šķidru hēliju), ir papildu izolācijas trauks, kas piepildīts ar šķidru slāpekli. Dewar flakoni nosaukti par to izgudrotāju James Dewar. Kolbas ļauj gāzei izplūst no tvertnes, lai nepieļautu vārīšanās spiediena palielināšanos, kas varētu izraisīt eksploziju.

Kriogēnikā visbiežāk izmanto šādus šķidrumus:

Ir vairāki kriogēnikas pielietojumi. To izmanto, lai ražotu raķešu kriogēno degvielu, ieskaitot šķidro ūdeņradi un šķidro skābekli (LOX). Spēcīgus elektromagnētiskos laukus, kas nepieciešami kodolmagnētiskajai rezonansei (NMR), parasti rada, atdzesējot elektromagnētus ar kriogēniem. Magnētiskās rezonanses attēlveidošana (MRI) ir KMR pielietojums, kas izmanto šķidru hēliju. Infrasarkanais kamerām bieži nepieciešama kriogēna dzesēšana. Pārtikas kriogēno sasaldēšanu izmanto liela daudzuma pārtikas pārvadāšanai vai uzglabāšanai. Miglas veidošanai izmanto šķidro slāpekli specefektiem un pat speciālie kokteiļi un ēdieni. Materiālu sasaldēšana, izmantojot kriogēnus, var padarīt tos pietiekami trauslus, lai tos sadalītu mazos gabalos pārstrādei. Kriogēno temperatūru izmanto audu un asins paraugu uzglabāšanai un eksperimentālo paraugu saglabāšanai. Kriogēna dzesēšana virsvadītāju var izmantot, lai palielinātu elektroenerģijas pārvadi lielajās pilsētās. Kriogēno apstrādi izmanto kā daļu no dažām sakausējumu apstrādes metodēm un lai atvieglotu ķīmiskas reakcijas zemā temperatūrā (piemēram, lai ražotu narkotikas statīniem). Cryomilling izmanto tādu materiālu malšanai, kas var būt pārāk mīksti vai elastīgi, lai tos slīpētu parastās temperatūrās. Molekulu atdzišanu (līdz simtiem nanokelvīnu) var izmantot, lai veidotu eksotiskus matērijas stāvokļus. Aukstā atoma laboratorija (CAL) ir instruments, kas paredzēts izmantošanai mikrogravitācijā, lai izveidotu Bose Einšteinu kondensāti (ap 1 pico Kelvina temperatūru) un kvantu mehānikas un citas fizikas testa likumi principi.

Kriogēnika ir plaša joma, kas aptver vairākas disciplīnas, tostarp:

Krionika - Krionika ir dzīvnieku un cilvēku zemūdens konservēšana ar mērķi tos nākotnē atdzīvināt.

Krioķirurģija - Šī ir ķirurģijas nozare, kurā kriogēno temperatūru izmanto, lai iznīcinātu nevēlamus vai ļaundabīgus audus, piemēram, vēža šūnas vai dzimumzīmes.

Cryoelectronics - tas ir supravadītspējas, mainīga diapazona lēciena un citu elektronisku parādību pētījums zemā temperatūrā. Tiek saukta krioelektronikas praktiskā pielietošana krotronika.

Kriobioloģija - Šis ir zemas temperatūras ietekmes uz organismiem pētījums, ieskaitot organismu, audu un ģenētiskā materiāla saglabāšanu, izmantojot zemā konservēšana.

Kaut arī kriogēnika parasti ietver temperatūru, kas ir zemāka par šķidrā slāpekļa sasalšanas punktu, bet vēl virs par absolūtā nulle, pētnieki ir sasnieguši temperatūru zem absolūtas nulles (tā sauktā negatīvā Kelvina temperatūras). 2013. gadā Minhenes Universitātes (Vācija) Ulrihs Šneiders atdzesēja gāzi zem absolūtās nulles, kas, kā ziņots, padarīja to karstāku, nevis aukstāku!

• Brauns, S., Roncheimers, Dž. P., Šreiberis, M., Hodžmans, S. S., Rom, T., Bloch, I., Schneider, U. (2013) "Negatīva absolūtā temperatūra kustības brīvības pakāpēm". Zinātne339, 52–55.
• Gants, Kerols (2015). Saldēšana: vēsture. Džefersons, Ziemeļkarolīna: McFarland & Company, Inc. lpp. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9.
• Nešs, Dž. M. (1991) "Virpuļplākšņu paplašināšanas ierīces augsttemperatūras kriogēnām vielām". Proc. no 26. Intersociety enerģijas pārveidošanas inženieru konferences, Sēj. 4, lpp. 521–525.