КРИОСТАТ Российский патент 2007 года по МПК F25D3/10 F17C3/00 

Изобретение относится к устройствам для охлаждения с применением сжиженных газов и может быть использовано при проведении низкотемпературных исследований в следующих областях: физика низких температур, электрические и магнитные измерения, биофизика, медицина.

Известна конструкция криостата, предназначенного для работы при температуре жидкого гелия, которая представляет собой два стеклянных сосуда Дьюара, один - для жидкого азота, другой - для жидкого гелия, вложенных один в другой [Шимашек Е. Криостат для промежуточных температур. - Приборы и техника эксперимента, 1961, №4, с.173-174].

Недостатком данной конструкции криостата является постепенное ухудшение вакуума между двойными стенками сосуда Дьюара для жидкого гелия вследствие диффузии молекул гелия, что приводит к ухудшению теплоизоляционных свойств сосуда Дьюара для жидкого гелия.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является конструкция криостата, предназначенного для работы с жидким гелием, состоящая из следующих основных узлов: стеклянный сосуд Дьюара для жидкого азота, стеклянный сосуд Дьюара для жидкого гелия [Клименко А.Г. Универсальный СКВИД-магнитометр для магнитных исследований в слабых полях в диапазоне температур 1,5-300 К. - Препринт 85-1, Институт неорганической химии СО АН СССР, Новосибирск, 1985 (прототип)]. Оба сосуда Дьюара имеют цилиндрическую форму. В нижней (торцевой) части обоих сосудов Дьюара имеются стеклянные отростки. Эти отростки остаются после отпайки патрубков, через которые на стадии изготовления производилась откачка пространства между двойными стенками сосудов Дьюара до высокого вакуума. Сосуд Дьюара для жидкого гелия размещен внутри сосуда Дьюара для жидкого азота.

Данная конструкция имеет ряд недостатков. При работе с жидким гелием постепенно происходит ухудшение вакуума между двойными стенками сосуда Дьюара для жидкого гелия из-за диффузии молекул гелия сквозь внутреннюю стенку. В результате этого через 1-2 года работы потеря вакуума приводит к существенному ухудшению теплоизоляционных свойств сосуда Дьюара для жидкого гелия и, как следствие, к многократному увеличению скорости испарения жидкого гелия, то есть к потере криостатом эксплуатационных свойств. Запаянный патрубок сосуда Дьюара для жидкого гелия характеризуется увеличением толщины стекла в месте спая. Конструктивно патрубок расположен в нижней части сосуда Дьюара. При заливке жидкого азота в сосуд Дьюара для жидкого азота сосуд Дьюара для жидкого гелия оказывается погруженным в жидкий азот, и в области патрубка вследствие резкого перепада температуры появляются высокие механические напряжения в стекле, что может привести к механическому разрушению сосуда Дьюара. Отросток сосуда Дьюара для жидкого гелия имеет длину 2-4 см и занимает соответствующий объем внутри сосуда Дьюара для жидкого азота, что несколько понижает эффективность использования последнего.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик криостата для низкотемпературных исследований в интервале температур от гелиевой до комнатной.

Технический результат достигается тем, что в криостате, содержащем стеклянные цилиндрические сосуды Дьюара для жидкого азота и жидкого гелия, причем сосуд Дьюара для жидкого гелия размещен в сосуде Дьюара для жидкого азота, который имеет отросток, новым является то, что в верхней части сосуда Дьюара для жидкого гелия имеется стеклянный патрубок, припаянный к внешней стенке выше верхнего края сосуда Дьюара для жидкого азота, через который перед каждой заливкой в криостат хладоагентов производится откачка пространства между двойными стенками сосуда Дьюара для жидкого гелия до высокого вакуума.

На фиг.1 представлена схема криостата для низкотемпературных исследований в интервале температур от гелиевой до комнатной. На фиг.2 дана схема подключения криостата к вакуумной системе.

Криостат состоит из сосуда Дьюара для жидкого азота 1, сосуда Дьюара для жидкого гелия 2 (фиг.1). Оба сосуда Дьюара изготовлены из стекла и имеют цилиндрическую форму. Поверхности стенок, образующих вакуумное пространство сосудов Дьюара, посеребрены. Сосуд Дьюара для жидкого гелия 2 размещен внутри сосуда Дьюара для жидкого азота 1.

Сосуд Дьюара для жидкого азота 1 имеет традиционную конструкцию. На его внешней стенке в нижней (торцевой) части имеется отросток, оставшийся после отпайки патрубка, через который на стадии изготовления производилась откачка пространства между двойными стенками сосуда Дьюара до высокого вакуума.

В верхней части сосуда Дьюара для жидкого гелия 2 имеется стеклянный патрубок 3, который припаян к внешней стенке. Как видно, патрубок 3 расположен выше верхнего края сосуда Дьюара для жидкого азота 1. Благодаря такому месторасположению патрубок 3 всегда находится в среде атмосферного воздуха и температура стекла в месте соединения патрубка 3 с внешней стенкой сосуда Дьюара 2 если и отличается от комнатной, то незначительно. Следует отметить, что место спая характеризуется увеличением толщины стекла и наиболее чувствительно к градиентам температуры. Таким образом удается избежать появления значительных механических напряжений в стекле в месте подсоединения патрубка, которые зачастую приводят к механическому разрушению сосуда Дьюара.

Через патрубок 3 перед каждой заливкой в криостат хладоагентов - жидкого азота и жидкого гелия - производится откачка пространства между двойными стенками сосуда Дьюара 2 до высокого вакуума. Тем самым обеспечивается высокая степень теплоизоляции между азотным экраном и объемом с жидким гелием.

Предлагаемое конструктивное решение позволяет избавиться от проведения периодических ремонтно-восстановительных работ с криостатом. Легко удается решить проблему, связанную с постепенным неуклонным ухудшением теплоизоляционных свойств сосуда Дьюара для жидкого гелия, которое происходит вследствие ухудшения вакуума между двойными стенками сосуда Дьюара из-за диффузии молекул гелия сквозь внутреннюю стенку. Больше нет необходимости, для того чтобы восстановить высокий вакуум между двойными стенками сосуда Дьюара для жидкого гелия, разбирать криостат, временно припаивать к сосуду Дьюара стеклянный патрубок для откачки, соединять патрубок с вакуумной системой, производить через патрубок откачку газов и под откачкой отпаивать стеклянный патрубок, затем вновь собирать криостат. Теперь, для восстановления эксплуатационных свойств криостата, достаточно лишь, перед тем как заливать в криостат хладоагенты, произвести через патрубок 3 откачку остаточных газов из вакуумного пространства сосуда Дьюара для жидкого гелия 2.

Кроме того, предлагаемое конструктивное решение позволяет повысить эффективность использования сосуда Дьюара для жидкого азота 1 за счет более глубокого погружения в него сосуда Дьюара для жидкого гелия 2, поскольку у последнего отсутствует снизу отросток, длина которого у прототипа 2-4 см.

Работа с криостатом производится следующим образом (фиг.2). Криостат, состоящий из стеклянного сосуда Дьюара для жидкого азота 1 и стеклянного сосуда Дьюара для жидкого гелия 2 с припаянным к нему в его верхней части стеклянным патрубком 3, посредством шланга из вакуумной резины 4 подсоединяется к вакуумной системе, состоящей из вакуумного насоса 5, двух вакуумных вентилей 6, 7 и тройника 8. Шланг 4 одним концом надет на патрубок 3, другой конец соединен с вентилем 6. Вентили 6, 7 и вакуумный насос 5 соединены между собой с помощью тройника 8. Вентиль 6 коммутирует соединение вакуумного насоса 5 с вакуумным пространством сосуда Дьюара для жидкого гелия 2. Вентиль 7 коммутирует соединение вакуумного насоса 5 с атмосферой.

Вначале вентили 6, 7 закрываются, включается вакуумный насос 5. По достижении в тройнике 8 высокого вакуума (через 2-3 мин) открывается вентиль 6 и производится откачка остаточных газов из вакуумного пространства сосуда Дьюара для жидкого гелия 2. Через 5-7 мин пространство между двойными стенками сосуда Дьюара 2 откачивается до высокого вакуума. После этого в сосуд Дьюара 1 заливается жидкий азот, вентиль 6 закрывается, вакуумный насос 5 выключается, открывается вентиль 7. В сосуд Дьюара 2 заливается жидкий гелий.

Пример

Сосуд Дьюара для жидкого азота 1 имеет внешний диаметр 125 мм, внутренний диаметр 105 мм, длину 600 мм. Сосуд Дьюара для жидкого гелия 2 имеет внешний диаметр 80 мм, внутренний диаметр 60 мм, длину 650 мм. Патрубок 3 имеет диаметр 15 мм, длину 60 мм и припаян к внешней стенке сосуда Дьюара 2 на расстоянии 60 мм от его верхнего края. В качестве насоса 5 использовался вакуумный пластинчато-роторный насос 2НВР-5Д, в качестве вентилей 6, 7 -сильфонные вакуумные вентили Н-Д22/2.

Эксплуатация заявляемого устройства в составе установки по измерению магнитной восприимчивости показала, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство проявляет неизменность хороших эксплуатационных свойств.

Криостат, содержащий стеклянные цилиндрические сосуды Дьюара для жидкого азота и жидкого гелия, причем сосуд Дьюара для жидкого гелия размещен в сосуде Дьюара для жидкого азота, который имеет отросток, в верхней части сосуда Дьюара для жидкого гелия имеется стеклянный патрубок, припаянный к внешней стенке выше верхнего края сосуда Дьюара для жидкого азота, через который перед каждой заливкой в криостат хладоагентов производят откачку пространства между двойными стенками сосуда Дьюара для жидкого гелия до высокого вакуума. Использование данного изобретения позволяет повысить эксплуатационные характеристики криостата для низкотемпературных исследований в интервале температур от гелиевой до комнатной. 2 ил.

Криостат, содержащий стеклянные цилиндрические сосуды Дьюара для жидкого азота и жидкого гелия, причем сосуд Дьюара для жидкого гелия размещен в сосуде Дьюара для жидкого азота, который имеет отросток, отличающийся тем, что в верхней части сосуда Дьюара для жидкого гелия имеется стеклянный патрубок, припаянный к внешней стенке выше верхнего края сосуда Дьюара для жидкого азота, через который перед каждой заливкой в криостат хладоагентов производят откачку пространства между двойными стенками сосуда Дьюара для жидкого гелия до высокого вакуума.