Specyficzne własności helu w temperaturach kriogenicznych

Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE
W MEDYCYNIE
„Specyficzne własności helu
w temperaturach kriogenicznych”
Urszula Nowotniak
IM-M sem.01 st.II
r. ak. 2012/2013
1. Izotopy helu
Hel jest „popularnym” pierwiastkiem w przyrodzie, jednak występuje pod postacią jedynie
dwóch stałych izotopów: 3He i 4He. Pierwszy z nich stosowany jest w celu uzyskiwania temperatur
poniżej 1K. Ze względu na jego rzadkie występowanie i bardziej problematyczne otrzymywanie
(w porównaniu do izotopu 4He) nie jest używany w technice. Jądro izotopu 3He składa się z dwóch
protonów i jednego neutronu.
Jądro izotopu 4He składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Jest cięższy od izotopu
3
He, z czego wynikają różnice w ich właściwościach.
2. Izotop 3He
Zmiany fazowe izotopu 3He w zależności od zmian ciśnienia i temperatury przedstawia
poniższy wykres.
Izotop ten zestala się pod dosyć wysokim ciśnieniem (ok. 3 MPa) i przy bardzo niskich
temperaturach (ok. 1K). Po schłodzeniu ciekłego
(„superfluid”).
3
He przechodzi on w stan nadciekły
3. Izotop 4He
Poniższy wykres przedstawia zmiany fazowe izotopu 4He pod wpływem zmian temperatury
i ciśnienia.
Kształt wykresu 4He znacznie różni się od wykresu izotopu 3He. Izotop 4He zestala się przy
niższym ciśnieniu (ok. 2,5 MPa) i wyższych temperaturach (ok. 2,7K). W warunkach ciśnienia
poniżej wymaganego do zestalenia się helu i temperatury poniżej ok. 2,2 K izotop 4He przechodzi
w stan nadciekły.
4. Nadciekłość
Jest to unikalna właściwość helu. „Hel nadciekły jest pozbawiony tarcia i może przenosić
duże strumienie ciepła przy znikomych gradientach temperatury.”[1] Nadciekłość zauważalna jest
w skali makroskopowej. Zjawisko nadciekłości można zaobserwować umieszczając pusty pojemnik
w otoczeniu nadciekłego helu. Po pewnym czasie nadciekły hel zacznie samoczynnie przedostawać
się do pustego naczynia „pełzając” po ściankach. Istotę zjawiska ilustruje poniższy rysunek.
5. Efekt fontanny
Efekt fontanny możliwy jest do zaobserwowania dzięki nadciekłości helu. Zbiorniczek
z nadciekłym helem należy zamknąć od dołu porowatą zatyczką lub proszkiem i umieścić
w zbiorniku z nadciekłym helem. Zamknięty hel należy podda działaniu ciepła. W wyniku
dostarczanej znikomej ilości ciepła składowa nadciekła zostanie zamieniona na składową normalną,
czemu nie towarzyszy efekt cieplny ani nawet zmiana temperatury. „W efekcie pojawia się
niedomiar składowej nadciekłej, która dopływa przez porowatą zatyczkę (przez zatyczkę tę nie
może odpłynąć składowa normalna ze względu na lepkość).”[1] W zbiorniczku pojawia się
nadciśnienie powodujące wytrysk helu przez otwór. Poniższy schemat ilustruje przeprowadzanie
opisanego doświadczenia.
Zdjęcie poniżej ukazuje efekt fontanny uzyskany z fazy nadciekłej izotopu 4He.
Literatura:
[1] Materiały do wykładu prof. dr hab. inż, Macieja Chorowskiego; dostęp dn. 09.05.2013r.
http://www.itcmp.pwr.wroc.pl/~kriogen/Wyklady/pods_krio/Wyklad13.pdf
[2] Materiały do wykładu prof. dr hab. Anny Okopińskiej; dostęp dn. 09.05.2013r.
http://www.ujk.edu.pl/strony/Anna.Okopinska/BEC/g3nadcieklosc.pdf
[3] Konspekt do wykładu prof. dr
hab. inż, Macieja Chorowskiego; dostęp dn. 09.05.2013r.
http://www.instytut22.pwr.wroc.pl/uploads/File/Produkcja%20i%20zastosowania%20helu.pdf
[4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Nadciek%C5%82o%C5%9B%C4%87 [09.05.2013r.]