Techniki niskotemperaturowe w medycynie

INŻYNIERIA MECHANICZNO-MEDYCZNA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
POLITECHNIKA GDAŃSKA
Techniki niskotemperaturowe w medycynie
Temat: Adiabatyczne rozmagnesowanie paramagnetyków
jako metoda osiągania ekstremalnie niskich temperatur.
Prowadzący: dr inż. Zenon Bonca, doc. PG
Student: Aleksandra Żebrowska, IMM, grupa II
Gdańsk 2011/2012
Ze względu na własności magnetyczne ciała można podzielić na diamagnetyki,
paramagnetyki i ferromagnetyki.
Diamagnetyki są to substancje, w których momenty magnetyczne cząsteczek lub atomów
mają wartość równą zero w przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego. Po
pojawieniu się zewnętrznego pola magnetycznego, cząstki diamagnetyka uzyskują
indukowane momenty magnetyczne, które są skierowane przeciwnie w stosunku do pola.
Chociaż diamagnetyzm cechuje wszystkie substancje, to często jest on maskowany przez
silniejsze efekty, np. paramagnetyzm. Jedną z najsilniejszych substancji diamagnetycznych
jest bizmut.[1]
Rys.1. Diamagnetyk w polu magnetycznym.[2]
W paramagnetykach atomy lub cząsteczki mają własne momenty magnetyczne, lecz
oddziaływania pomiędzy tymi momentami są bardzo słabe. Przyłożenie zewnętrznego pola
magnetycznego prowadzi do uporządkowania momentów magnetycznych i powstania
momentu wypadkowego, zgodnego z kierunkiem zewnętrznego pola magnetycznego.
Entropia paramagnetyków zależy nie tylko od fluktuacji cieplnych cząsteczek lecz również od
ich orientacji. Substancję paramagnetyczną można rozpatrywać jako składającą się z
elementarnych dipoli magnetycznych obdarzonych momentem magnetycznym (np. spinów
elektronów) , lecz bardzo słabo ze sobą oddziałujących. Możliwe jest jednak uporządkowanie
tych dipoli przez przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego, a więc entropia
paramagnetyka jest funkcją zarówno temperatury jak i natężenia pola magnetycznego.
Paramagnetykiem jest np. aluminium oraz niektóre sole.[1]
a)
b)
Rys.2. a) Paramagnetyk w polu magnetycznym[2], b) uporządkowanie magnetyczne
paramagnetyków[5].
W ferromagnetykach oddziaływanie między momentami magnetycznymi jest na tyle silne,
że powoduje powstanie spontanicznego uporządkowania magnetycznego i prowadzi do
równoległej orientacji momentów magnetycznych. Namagnesowanie spontaniczne maleje ze
wzrostem temperatury. Przy pewnej temperaturze krytycznej Tc, nazwanej temperaturą Curie,
uporządkowanie magnetyczne znika i ferromagnetyk zaczyna zachowywać się jak
paramagnetyk.[1]
Rys.3. Uporządkowanie magnetyczne w ferromagnetykach.[5]
Rozmagnesowanie adiabatyczne paramagnetyków.
Rozmagnesowanie adiabatyczne paramagnetyków jest podstawową metodą uzyskiwania
temperatur poniżej 0,3K. W ten sposób można uzyskać temperatury do 1mK.
Metodę tą zaproponowali niezależnie od siebie Giauque - w 1926r w Ameryce oraz Deybe- w
1927 roku w Niemczech.[3]
Rozmagnesowanie adiabatyczne wykorzystuje do chłodzenia tzw. efekt magnetokaloryczny
czyli zjawisko termodynamiczne, w którym zmiany temperatury odpowiednio dobranego
materiału są powodowane oddziaływaniem na ten materiał cyklicznie zmieniającego się pola
magnetycznego. Efekt magnetokaloryczny jest własnością, którą wykazują wszystkie
materiały magnetyczne.[4,8]
Rys.4. Efekt magnetokaloryczny.[11]
Obniżanie temperatury paramagnetyków na drodze rozmagnesowania adiabatycznego wynika
z tego, że ich entropia zależy nie tylko od fluktuacji cieplnych cząsteczek lecz również od ich
orientacji.
Entropia paramagnetyka jest funkcją zarówno temperatury jak i natężenia pola
magnetycznego:
S = S(T,H)
Poniżej przedstawiony jest przykładowy wykres temperatura- entropia T-S paramagnetyka.
Linie od H0 do H4 są liniami stałego natężenia pola magnetycznego.
Obniżenie temperatury ciała w chłodziarce magnetycznej zachodzi w dwóch etapach:
 izotermicznym namagnesowaniu (proces 1-2, kiedy natężenie zewnętrznego pola
magnetycznego wzrasta od H0 do H3), oraz
 adiabatycznym rozmagnesowania (proces 2-3, kiedy natężenie pola magnetycznego wraca
do wartości Ho, natomiast temperatura ciała obniża się od Tp do Tk.). [1]
Rys.5. Proces obniżenia temperatury w efekcie rozmagnesowania adiabatycznego, H - natężenie pola
magnetycznego, A-B - izotermiczne namagnesowanie, B-C – adiabatyczne rozmagnesowanie.[4]
Efekt obniżenia entropii ciała w procesie izotermicznego namagnesowania zachodzi w sposób
istotny w przedziale temperatur Θs - To . Powyżej temperatury To fluktuacje termiczne są na
tyle silne, że przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego nie powoduje uporządkowania
momentów magnetycznych spinów elektronów paramagnetyka i w konsekwencji entropia nie
zależy od natężenia pola H. Poniżej temperatury To ruchy cieplne molekuł są na tyle słabe, że
przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego prowadzi do częściowego uporządkowania
momentów magnetycznych i entropia silnie zależy od zewnętrznego pola magnetycznego. W
bardzo niskich temperaturach następuje spontaniczne namagnesowanie paramagnetyka i
przykładanie zewnętrznego pola nie wpływa na entropię. Jak wynika z rysunku 1.
rozmagnesowanie adiabatyczne jest skuteczna metodą obniżania temperatury ciał w zakresie
temperatur pomiędzy temperaturą To i temperaturą spontanicznego namagnesowania Θs. W
temperaturze Θs energia ε wzajemnego oddziaływania dipoli magnetycznych zrównuje się z
ich energią cieplną kT i następuje spontaniczne namagnesowanie bez konieczności
przykładania zewnętrznego pola magnetycznego. Temperatura jest równa: Θs= T
. [1]
Podczas procesu izotermicznego magnesowania substancji paramagnetycznej dipole
magnetyczne układają się równolegle do pola, a entropia obniża się od S1 do S2, procesowi
towarzyszy przekazanie do otoczenia ciepła w ilości: q= Tp (S2-S1).
Proces ten jest odpowiednikiem izotermicznego sprężania gazu, natomiast rozmagnesowania
adiabatyczne 2-3 jest pod względem termodynamicznym analogiczne do procesu
izentropowego rozprężenia gazu. [1]
Rys.6. Porównanie chłodzenia magnetycznego z chłodzeniem konwencjonalnym. [6]
Schemat chłodziarki wykorzystującej zjawisko adiabatycznego rozmagnesowania soli
paramagnetycznych.
Rys.7 a)- wstępne chłodzenie próbki, b)- izotermiczne namagnesowanie, c)- usunięcie gazu
pośredniczącego w wymianie ciepła, d)- rozmagnesowanie adiabatyczne; 1- substancja
paramagnetyczna, 2- naczynie z próbką, 3- zawór pozwalający na usunięcie gazu
pośredniczącego w wymianie ciepła, 4- magnes. [1]
Powyżej przedstawiony jest schemat chłodziarki wykorzystującej zjawisko adiabatycznego
rozmagnesowania soli paramagnetycznych.
 Substancja paramagnetyczna jest umieszczona w naczyniu zanurzonym w ciekłym helu
wrzącym pod obniżonym ciśnieniem w temperaturze około 1 K.
 Wstępne chłodzenie próbki zachodzi w sytuacji kiedy zbiornik 2 jest wypełniony
gazowym helem pośredniczącym w wymianie ciepła.
 Następnie próbka zostaje namagnesowana w warunkach izotermicznych, a ciepło tej
przemiany jest odprowadzane do wrzącego helu.
 Gdy próbka zostaje namagnesowana następuje wypompowanie ze zbiornika 2 przez
zawór 3 gazu pośredniczącego w wymianie ciepła, tak aby wytworzyć adiabatyczne
warunki. [9]
Substancjami które wykorzystuje się w procesie adiabatycznego rozmagnesowania są sole
paramagnetyczne, m.in.:

Azotan cerowo magnezowy CeMg3 (NO3) 12 24H20

Siarczan miedziowo potasowy CuK2 (SO4) · 6H2O

Ałun chromowo potasowy KCr(SO4)2 · 12H20

Siarczan gadolinu Gd2(SO4)3 · 8H20
Każda z soli paramagnetycznych jest szczególnie efektywna w charakterystycznym dla siebie
przedziale temperatur, zależnym od maksimum ciepła właściwego oraz stosunku energii ε
oddziaływania magnetycznych dipoli do ich energii cieplnej kT. [1]
Zalety procesu adiabatycznego rozmagnesowania[6,10]:
 proces ten nie wymaga części mechanicznych ani stosowania gazów szkodliwych dla
środowiska,
 aparatura wykorzystująca rozmagnesowanie adiabatyczne nie zużywa się,
 jest wydajniejsza o 40% od tradycyjnych metod i energooszczędna (stwarza nadzieje
na oszczędność energii elektrycznej nawet do około 50%)
 zajmuje także mniej miejsca od sprężarek
Metoda chłodzenia przez rozmagnesowanie adiabatyczne jest znana od ponad stulecia, jednak
nie znalazła wielu zastosowań. Problemem jest znalezienie odpowiednich materiałów, które
wykazywały by efekt magnetokaloryczny w temperaturze pokojowej. W ostatnich latach
prowadzone są badania, które mają na celu znalezienie odpowiednich materiałów na aplikacje
w postaci nowych chłodziarek magnetycznych.
Związki międzymetaliczne, zwłaszcza na bazie ziem rzadkich, stanowią ważną klasę tego
typu materiałów. Gadolin wykazuje jeden z największych znanych efektów
magnetokalorycznych. Jednakże czysty gadolin, jako czynnik chłodniczy, nie wykazuje
silnego efektu magnetokalorycznego w temperaturze pokojowej. Niedawno odkryto, że
połączenie gadolinu z innymi pierwiastkami tj. np. krzem, german daje dużo lepsze wyniki
Zrozumienie, co zachodzi na poziome atomów i cząstek, jaka ich właściwość wpływa na siłę
efektu pozwoli na opracowanie takich stopów, które umożliwią zastosowania produkcyjne.
Wtedy chłodzenie przez rozmagnesowanie adiabatyczne trafi nie tylko do kuchennych
lodówek i zamrażarek, ale też do klimatyzatorów, komputerów i przemysłu.[6,10]
Bibliografia:
1. Chorowski M., Kriogenika – podstawy i zastosowania, wyd. MASTA, Gdańsk 2007
2. Rawa H., Elektryczność i magnetyzm w technice, wyd. PWN, Warszawa 2001
3. Zemansky M. W., Temperatury bardzo niskie i bardzo wysokie, wyd. PWN,
Warszawa 1964
4. http://www.min-pan.krakow.pl/Wydawnictwa/PE112/10-skrzypulec-konopka.pdf
5. http://www.fais.uj.edu.pl/FENIKS/pakiety/pakiet_05_new.pdf
6. http://supgow.us.edu.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=1155:efekt
-magnetokaloryczny-w-zwizkach-midzymetalicznych&catid=65:artykuy-popularnonaukowe&Itemid=165
7. http://www.wnp.pl/jak_oszczedzac_energie/efektywne-wykorzystanie-energii-iczyste-srodowisko-glowne-kierunki-rozwoju-w-branzy-chlodniczej-i-klimatyzacyjnowentylacyjnej,6239_2_0_4.html
8. http://suw.biblos.pk.edu.pl/resources/i1/i8/i7/i2/r1872/DurajM_WlasnosciMagnetyczn
e.pdf
9. http://www.itcmp.pwr.wroc.pl/~kriogen/Wyklady/pods_krio/Wyklad6.pdf
10. http://kopalniawiedzy.pl/rozmagnesowanie-adiabatyczne-efekt-magnetokalorycznychlodzenie-Sujoy-Roy-Jeff-Kortright-Elizabeth-Blackburn-Lawrence-BerkeleyNational-Laboratory,10783
11. http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_refrigeration