kryogenikk

Frembringelse av meget lave temperaturer skjer som regel i en trinnvis prosess. Ned til omkring 1 K skjer avkjølingen i hvert trinn gjerne ved en konvensjonell ekspansjons- eller fordampningsprosess. I det siste ledd brukes helium (normalkokepunkt 4,22 K) som fordamper under vakuum. For å nå lavere temperaturer brukes magnetiske prosesser, såkalt adiabatisk avmagnetisering (uten varmeveksling). I et sterkt magnetfelt vil paramagnetiske eller kjernemagnetiske stoffer innstille seg med den magnetiske vektor i feltets retning, dvs. i den laveste energitilstanden, forutsatt at temperaturen er så lav at ikke de termiske bevegelsene i stoffet ødelegger innstillingen. Innstillingen finner sted under utsendelse av elektromagnetisk stråling. Reduseres så det ytre magnetfeltet, blir de magnetiske kreftene svakere, og energien av atomene i den lave energitilstanden øker. Siden det ikke er noen varmetilførsel utenfra må dette kompenseres av den indre energi i stoffet, og resultatet blir at temperaturen synker. På denne måten regner man med å ha kommet ned i temperaturer på noen få mikrograder K.

For å opprettholde og kontrollere lave temperaturer nyttes en kryostat, et varmeisolert kar der trykket kan reguleres ved hjelp av innstillbare ventiler. Siden varmeisolasjonen ikke er perfekt, vil væske stadig fordampe, trykket stiger og gass unnslipper gjennom ventilen. Kryostaten må derfor etterfylles med jevne mellomrom. For å beskytte beholderen mot varmestråling fra omgivelsene lages den av stoff med stor refleksjonsevne både for lys og termisk stråling. Ofte benyttes også ekstra beskyttelseskapper som holdes på lave, men noe høyere temperaturer enn selve kryostaten. Konveksjonstap (tap pga. luftstrømninger) hindres ved et lufttomt mellomrom (dewar-kar), og selve karet lages av stoffer med liten varmeledningsevne, ofte med lag av forskjellige materialer for å oppnå både mekanisk styrke, termisk isolasjon, liten absorpsjon og liten vekt i tilfelle det har noen betydning.

Før den annen verdenskrig var det vesentlig som et ledd i fysisk grunnforskning man arbeidet ved lave temperaturer. Utstyr for slik forskning var kostbart og lite utviklet. Men en rekke grunnleggende oppdagelser innen lavtemperaturfysikken ble gjort i denne tiden. Blant dem kan nevnes kondensasjon av helium ved 4 K (Heike Kamerlingh Onnes, 1908), oppdagelse av superledning (Kamerlingh Onnes, 1911), paramagnetisk kjøling (Peter Debye og William F. Giauque, 1926), superfluiditet (Pjotr Kapitsa, 1938).

Etter 1945 har lave temperaturer fått en stadig større anvendelse i kjemisk og metallurgisk industri, i elektronikk, romforskning og i fysiske forskningslaboratorier.

Fremstilling eller rensing av gasser, f.eks. nitrogen og oksygen av luft, foregår ved kondensasjon og fraksjonert destillasjon. Selektiv adsorpsjon ved lave temperaturer er en metode som har vist seg spesielt egnet for separasjon og rensing av edelgasser. Oksygen, nitrogen, argon og hydrogen er gasser som anvendes mye i metallurgisk industri. De fremstilles nå vanligvis kryogenisk i fabrikkenes egne anlegg. Oksygen og hydrogen anvendes som brennstoff i brenselceller og i romfartøy, og oppbevares da i kryostater som krever mindre plass og veier mindre enn en tilsvarende mengde gass under trykk i stålflasker. Kjøling av elektronisk utstyr, spesielt av halvlederkomponenter, reduserer støynivået. Høyvakuumpumper kjøles med flytende nitrogen for å få bedre pumpeeffektivitet. Det er også utviklet en spesiell kryopumpe der andre gasser fryses ut ved hjelp av heliumgass ved en temperatur på 20 K.

I kjernefysisk industri fremstilles deuterium ved fraksjonert destillasjon av hydrogen. Superledning anvendes i spesielle elektroniske kretser og for fremstilling av sterke magnetfelt. Det er i dag stor interesse for superledende materialer, både til utvikling av effektive elektriske maskiner, kraftoverføringer, magnetisk løfting av svevetog, magneter for bygging av fusjonsreaktorer m.m.

• kjøleanlegg