КРИОСТАТ Российский патент 2001 года по МПК F25D3/10 G05D23/00 B01L7/00 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для температурных исследований фотоэлектрических и оптических свойств материалов.

Известен криостат, предназначенный для оптических исследований материалов, содержащий кожух, теплоизолированную емкость для хладагента, теплопроводный стержень с ребрами и пористой насадкой, нагреватель, оптическое окно и съемную камеру с вакуумной изоляцией [1]. Недостатками такого устройства являются сложная конструкция в использовании и изготовлении, наличие специальных оптических окон для ввода оптического излучения, на которых осаждаются при низких температурах микроскопические капельки воды, находящиеся в воздухе, что делает окна практически непрозрачными для оптического излучения; необходимость в отдельном источнике оптического излучения удорожает процесс исследования.

Наиболее близким по технической сущности является криостат, предназначенный для исследований образцов, содержащий сосуд Дьюара, теплоизолирующую камеру с нагревателем, хладопровод, термодатчик, блок управления, соединенный с термодатчиком и нагревателем [2]. Недостатками этого устройства являются, во-первых, сложность конструкции, поскольку нагреватель состоит из двух частей, одна из которых погружается в хладагент, и, следовательно, требует тщательной изоляции от последнего и одновременно надежного теплового контакта с хладопроводом; во-вторых, ограниченность функциональных возможностей, поскольку вся электрическая энергия, подводимая к нагревателю и преобразуемая в тепловую и квантовую (ИК излучение) энергии, расходуется на нагрев хладопровода.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей криостата при одновременном упрощении его конструкции.

Это достигается благодаря тому, что в криостате, содержащем сосуд Дьюара, хладопровод, расположенные в тепловом контакте с ним теплоизолирующую камеру с нагревателем, термодатчик и исследуемый образец, блок управления, электрически связанный с термодатчиком и нагревателем, нагреватель выполнен проволочным, способным выдерживать большие импульсные токи, а в хладопроводе выполнено отверстие, причем нагреватель и исследуемый образец расположены соосно отверстию с одной и другой стороны хладопровода, при этом блок управления выполнен так, что дает команду на включение или отключение нагревателя для нагрева образца до температуры, большей, чем температура хладагента, или для засветки образца импульсом ИК излучения.

При этом для увеличения времени засветки образца без существенного изменения его температуры за счет передачи тепла от нагревателя к образцу введена прокладка с отверстием, равным отверстию в хладопроводе, расположенная соосно между хладопроводом и нагревателем.

На фиг. 1 изображен криостат, содержащий трубку 1, теплоизолирующую пробку 2, сосуд Дьюара 3, теплоизолятор 4, хладопровод 5, термодатчик 6, отверстие 7, хладагент 8, блок управления 9, исследуемый образец 10, теплоизолирующую камеру 11 с нагревателем 12 и теплоизолирующей прокладкой 13. Пунктирной линией на хладопроводе 5 показана площадь теплового контакта образца 10.

На фиг. 2 показаны временные изменения напряжения U и температуры T на нагревателе и температуры T^* и интенсивности E ИК излучения на образце: U_i и t_i - соответственно, амплитуда и длительность i-го импульса (i = 1, 2, 3 ... ) поданного на нагреватель; T_i - температурный отклик при подаче на нагреватель импульса напряжения с амплитудой U_i; ΔT^* - допустимое изменение температуры образца; ΔT*i

и E_i - соответственно, максимальное изменение температуры образца и интенсивность ИК излучения от i-го температурного импульса нагревателя; U₀ - напряжение смещения (действующее значение напряжения) на нагревателе, обеспечивающее заданный режим нагрева T₀ ^* хладопровода (образца) и соответственно определенную фоновую составляющую E₀ ИК излучения.

Криостат работает следующим образом.

Трубку 1, жестко связанную с хладопроводом 5 через теплоизолятор 4, помещают в сосуд Дьюара 3 и изолируют от окружающей среды теплоизолирующей пробкой 2. При этом трубка 1 предназначена для вывода паров кипящего хладагента 8, а теплоизолятор 4 предназначен для ослабления теплового потока от хладопровода 5 к трубке 1 и исключает выступающими (ограничительными) частями соприкосновение металлического хладопровода 5 со стенками сосуда Дьюара 3. Через отверстие в пробке 2 по стоку (на фиг. 1 не показано) заливают хладагент 8, который накапливается на дне сосуда Дьюара 3, и, вступая в контакт с нижней частью хладопровода 5, охлаждает его до своей температуры. При этом находящиеся в тепловом контакте и механически жестко связанные с хладопроводом 5, расположенные с одной стороны термодатчик 6 с образцом 10, а с другой стороны теплоизолирующая камера 11 с нагревателем 12 и прокладкой 13, также охлаждаются до температуры хладагента. Для нагрева образца 10 до температуры большей, чем температура хладагента, включается нагреватель 12 от блока управления 9, который по показаниям термодатчика 6 управляет работой нагревателя 12, включая или отключая его. Для засветки образца 10 импульсом ИК излучения по команде с блока управления 9 вырабатывается импульс напряжения амплитудой U_i (i = 1, 2, 3 ...), значительно превышающей действующее значение U₀, и длительностью t_i, который подается на нагреватель (фиг. 2). В результате температура нагревателя изменяется импульсно. Из-за наличия теплоизолирующей прокладки 13 (или набора прокладок) при условии, что масса хладопровода 5 значительно больше массы нагревателя 12, при кратковременной (однократной, т.е. при длительности экспонирования существенно меньшем, чем период повторения) энергетической экспозиции, определяемой произведением U_i•t_i, можно получить импульсное изменение температуры нагревателя без существенного изменения температуры T^* образца. Поскольку телу с температурой T (Кельвин) соответствует спектр оптического излучения с максимумом интенсивности излучения на длине волны мкм [3, с. 10], при подаче импульса напряжения U_i на нагреватель 12 он импульсно изменяет свою температуру, и, следовательно, излучает при этом импульс ИК излучения, который через отверстие 7 в хладопроводе 5 освещает образец 10. Нагреватель 12 выполнен проволочным из-за его способности без разрушения выдерживать большие импульсные токи.

Для увеличения длительности экспонирования образца 10 импульсом ИК излучения без изменения заданного (в пределах действующего значения T₀ ^*) температурного режима криостата за счет передачи тепла теплопроводностью от нагревателя 12 к хладопроводу 5 введена прокладка с отверстием, равным отверстию в хладопроводе, расположенная соосно между хладопроводом 5 и нагревателем 12. Прокладка может быть выполнена наборной из нескольких тонких прокладок. Это позволяет, увеличивая количество прокладок, повышать тепловое сопротивление между нагревателем и хладопроводом [4, с. 432], что приводит к увеличению времени переноса тепла от нагревателя к хладопроводу, и, следовательно, к несущественному влиянию кратковременного импульса ИК излучения на действующее значение температуры T₀ ^* и температурный режим криостата. Таким образом, при подаче импульса напряжения на нагреватель длительностью, существенно меньшей, чем время изменения температуры образца на допустимую величину, происходит засветка образца ИК излучением E_i без изменения его температуры больше допустимой.

Согласованно изменяя количество прокладок, длительность t_i и амплитуду U_i импульса напряжения, можно определить необходимые режимы проведения исследований образцов, поскольку изменение t_i изменяет соответственно время экспонирования образца ИК излучением; изменение амплитуды напряжения U_i изменяет соответственно температуру T_i нагревателя, что приводит к изменению длины волны ИК излучения λ_max и интенсивности E_i. Увеличение или уменьшение количества прокладок приводит к увеличению или уменьшению времени изменения температуры образца на допустимую величину ΔT^* в момент освещения его ИК излучением от нагревателя. При этом чем больше количество прокладок, тем меньше влияние импульса ИК излучения на действующее значение температуры T₀ ^* образца. Более того, варьируя напряжением U₀ смещения, амплитудами U_i и скважностью импульсов, можно эффективно управлять фоновой составляющей E₀ ИК излучения.

Предлагаемый криостат с конструкцией хладопровода и нагревателем, служащим одновременно источником ИК излучения, отличается простотой в использовании и дешевизной в изготовлении, поскольку не требует отдельного источника ИК излучения, а корпус сосуда Дьюара может быть изготовлен из оптически непрозрачного наиболее распространенного материала.

Преимуществами заявляемого криостата является упрощение конструкции, уменьшение стоимости изготовления, проведение фотоэлектрических и оптических исследований образцов без дополнительного источника ИК излучения в широком спектральном диапазоне при различных температурах образцов, что существенно расширяет его функциональные возможности.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1352158, кл. F 25 D 3/10, 1987 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 1555607, кл. F 25 D 3/10, 1990 г. (прототип).

3. Криксунов Л.З., Усольцев И.Ф. Инфракрасные системы обнаружения, пеленгации и автоматического сопровождения движущихся объектов.- М.: Советское радио, 1968 г., 320 с.

4. Фрумкин Г. Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры.- М.: Высшая школа, 1989 г., 464 с.

Изобретение предназначено для использования в криогенной технике при температурных исследованиях фотоэлектрических и оптических свойств материалов. Криостат содержит сосуд Дьюара, хладопровод с отверстием, расположенные в тепловом контакте с ним теплоизолирующую камеру с проволочным нагревателем, термодатчик, блок управления. При работе нагреватель и исследуемый образец расположены по разные стороны хладопровода соосно отверстию. В качестве оптического сигнала использован сигнал инфракрасного излучения проволочного нагревателя. Последний способен выдерживать большие импульсные токи. Для увеличения времени засветки образца без существенного изменения его температуры за счет передачи тепла от нагревателя к образцу между хладопроводом и нагревателем соосно расположена прокладка с отверстием, равным отверстию в хладопроводе. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции криостата, уменьшение стоимости, расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Криостат, содержащий сосуд Дьюара, хладопровод, расположенные в тепловом контакте с ним теплоизолирующую камеру с нагревателем, термодатчик и исследуемый образец, блок управления электрически связанный с термодатчиком и нагревателем, отличающийся тем, что нагреватель выполнен проволочным, способным выдерживать большие импульсные токи, а в хладопроводе выполнено отверстие, причем нагреватель и исследуемый образец расположены соосно отверстию с одной и другой стороны хладопровода, при этом блок управления выполнен так, что дает команду на включение или отключение нагревателя для нагрева образца до температуры большей, чем температура хладагента или для засветки образца импульсом инфракрасного излучения. 2. Криостат по п.1, отличающийся тем, что введена теплоизолирующая прокладка с отверстием, равным отверстию в хладопроводе, и расположенная соосно между хладопроводом и нагревателем.