Криостат Советский патент 1984 года по МПК F17C3/08 F25D3/10 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к конструкции криостатов, и может бцть использовано для регулирования и стабилизации температуры, для непрерывного поддержания постояной температуры с точностью в сочетании с поддержанием постоянного уровня жидкого гелия в ванне.

Известен криостат с автоматическим поддержанием уровня в камере с охлаждаемьм объектом, содержащий наружную емкость и внутреннюю для хранения хладагента, сообщающуюся с атмосферой через регулятор давления. Цилиндриче кая камера,. внутренняя и наружная об лочки в рабочем состоянии образуют гидрозатвор между паровой полостью внутренней оболочки и атмосферой ClJ Давление в паровой полости периодически меняется при барботировании паров через столб жидкого хладагента в гидрозатворе. Это приводит к колебаниям температуры жидкости, которые складываются с суточными изменениями температуры, вызываемыми изменениями атмосферного давления. Таким образом длительное поддрежание стабильной температуры в известном устройстве невозможно. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является Kpi остат, содержащий гелиевую ванну наружный гелиевый дьюар, слзоканщй для хранения жидкого гелия и соединенный с атмосферой трубопроводом сбора газа. В нижней части гелиевой ванны расположен двустенный двухкамерный сосуд. Верхняя промежуточная камера отделена от нижней рабочей ка меры сплошной медной перегородкой и сообщена с гелиевой ванной посредством вентиля и с трубопроводом сбора газа. Рабочая камера содержит охлаждаемый объект, выполнена без дна и сообщена с гелиевой ванной. Указанный гелиевый криостат позволяет поддерживать температуру ниже 4,2 К с точностью 2. Однако свободное сообщение рабочей камеры с гелиевой ванной ограничивает стабильность температуры достигаемую в этой конструкции, ниже 4,2 К. Произвести стабилизацию температуры в рабочей камере вьппе температуры кипения жидкого гелия в ванне невозможно, так как жидкий гелий в рабочей камере будет находиться в перегретом .состоянии. Тепловыделения на образце приведут к бурному парообразованию и вьщавливанию жидкости из камеры, что вызовет повышение температуры образца и нарушит ее стабильность.

Цель изобретения - повышение стабильности температуры в рабочей камере при непрерывном криостатировании объектов.

Поставленная цель достигается тем, что в криостате, содержащем гелиевую ванну, промежуточную камеру, сообщающуюся с гелиевой ванной посредством вентиля и с трубопроводом сбора газа, и рабочую камеру с охлаждаемым объектом, промежуточная и рабочая камеры соединены посредством трубопровода жидкого гелия с вентилем, рабочая камера выполнена теплоизолированной от промежуточной камеры и сообщена с трубопроводом сбора газа л Кроме того, промежуточная и рабочая камеры сообщены с трубопроводом сбора газа через регуляторы давления. На чертеже «зображен предлагаемыйкриостат, общий вид. Криостат содержит гелиевую ванну 1 с вентилем 2, установленнь М в нижней части ванны, трубку 3, соединяющую гелиевую ванну 1 с промежуточной гелиевой камерой 4, размещенной под гелиевой ванной 1..Промежуточная камера 4 снабжена регулировочным вентилем 5. и через трубку 6 сообщена с рабочей камерой 7, установленной концентрично промежуточной камере 4, В рабочей камере 7 pasMenteH охлаждаемый объект 8. Гелиевая ванна 1, промежуточная 4 и рабочая 7 камеры соединены с трубопроводом сбора газа (не показан | трубками 9-11 для,выхода паров гелия, На трубках 9-1 установлены регуляторы 12-14 давления и запорные вентили 15-17. Криостат снабжен радиационными экранами 18-20 и вакуумным кожухом 21. Рабочая камера 7 теплоизолирована от промежуточной камеры 4 и гелиевой ванны 1 вакуумом (тепловой изоляцией ). Вентиль 2 и регулировочный вентиль 5 снабжены штоками 22 и 23 управления вентилями, которые выведены на крышку криостата и выполнены съемными. Кристат работает следующим образом, ОхлаждаемьШ объект 8 размещают в рабочей камере 7. Гелиевую ванну 1 через переливной сифон { не показан подсоединяют к транспортному сосуду с жидким rejiaeM и производят пред варительное захолаживание путем продувки паров гелия с последующей заливкой гелия. При захолаживания крио тата открыты запорный вентиль 17, .вентиль 2 и регулировочный вентиль 5 а запорные вентили 15 и 16 закрыты и пары гелия последовательно проходят через гелиевую ванну 1, трубку 3, промежуточную камеру 4, трубку 6, рабочую камеру 7, трубку 11 и через вентиль 17 отводится в трубопровод сбора газа (или в атмосферу./. После того, как охлаждаемый объект 8 достигнет температуры около 80 К, а радиационный экран 18 около 100 К, открывают запорные вентили 13 и 16, в транспортном сосуде поднимают давление и заполняют гелиевую ванну 1 жидким гелием. Во время заполнения гелиевой ванны 1 хладагент {жидкий гелий )через вентиль 2 и трубку 3 поступает п .промежуточную камеру 4, испаряется и его пары продолжают захолаживать промежуточную 4 и рабочую 7 с охлаждаемым объектом 8. Выдавливание жидкого хладагента из гелиевой ванны 1 в промежуточную камеру 4 про изводят путем повышения давления паров в гзлиевой ванне 1 при закрытом запорном вентиле 15. Регулировку дав ления паров при этом производят регулятором 12 давления, а избыток паров от испарившейся жидкости сбрасывают из промежуточной камеры 4 в тру бопровод сбора газа через запорный вентиль 16. В процессе заполнения промежуточной камеры 4 жидкий гелий через регу лировочный вентиль 5 и трубку 6 попадае в рабочую камеру 7 и продолжает охла дать ее и охлаждаемый объект 8. После заполнения промежуточной ка меры 4 жидким хладагентом запорный вентиль 15 открывают, а вентиль 2 при помои{и штока 22 закрывают. Выдав ливание жидкого гелия из промежуточ ной камеры 4 в рабочую камеру 7 производят путем повьш1ения давления паров в промежуточной камере 4 при закрытом запорном вентиле 16. Ре- . гулировку давления паров при этом производят регулятором 13 давления, ; а избыток паров от испарившегося при охлаждении и заполнении рабочей камеры 7 жидкого хладагента сбрасывают в трубопровод сбора газа через запорный вентиль 17. После заполнения рабочей камеры 7 до заданного уровня криостат приготовлен к переводу в рабочий режим стабилизации температуры, который осуществляется поддержанием постоянного давления регулятором 14 давления и постоянного уровня жидкого гелия в рабочей камере 7. Уровень жидкого гелия стабилизируется непрерьюной подачей его из промежуточной камеры 4 через регулировочный вентиль 5 и трубку 6 в рабочую камеру 7 за счет перепада давления между гелиевой емкостью 4 и рабочей камерой 7, Жидкий гелий проходит .регулировочный вентиль 5, дросселируется и приобретает температуру такую же, как и жидкий гелий в рабочей камере 7. Таким образом, непрерывная подача жидкого хладагента не влияет на ста бильность температуры в рабочей камере 7. Для стабилизации температуры в рабочей камере 7 в жидком гелии установлен датчик температуры (не показан ), который включен в цепь обратной связи рег улятора 4 давления. Для поддержания постоянного уровня жидкого гелия.в рабочей камере 7 установлен датчик уровня ( не- показан /, который включен в цепь обратной связи регулятора 13 давления. При(снижении (повЕлпений I уровня хладагента в рабочей камере 7 регулятор J3 давления повьшает (понижает)давление в промежуточной камере 4, подача жидкости возрастает (уменьшается ) и уровень устанавливается на заданном значении. В рабочем режиме запорный вентиль 17 закрыт. При стабилизации температуры жидкого гелия на уровне 4,2K регулятор 14 давления настраивают на давление, которое выше любого возможного в трубопроводе сбора газа. Такая настройка регулятора 14 давления исключает влияние изменений давления в трубопроводе сбора газа на давление в рабочей камере 7. Регулировочный вентиль 5 устанавливают в положение, обеспечивающее перепад давлений 1,5 между промежуточной 4 и рабочей 7 камерами при необходимом расходе, который определяется по тепловыделениям на охлаждаемом объекте 8. Регулятор 13;давления настраивают на давление которое выше давления в рабочей камере 7 на М ,3-1(Г гШа, и поддерживают уровень жидкости в рабочей камере 7 постоянным за счет непрерывной подачи жидкого гелия из промежуточной камеры 4. В рабочем режиме температура в рабочей камере 7 поддерживается постоянной с точностью/ 5-10 К в течение всего заданного времени работы.

Если стабилизируется некоторая температура ниже 4,2 К, то регулятор 14 давления настраиваЛт на соответствухяцее давление паров гелия и включают в линию откачки вакуумного насоса (не показан), задатчик регулятора 13 давления устанавливают нескрлько выше любого возможного в трубопроводе сбора газа давления и вентилем 5 подбирают такой расход, чтобы уровень жидкого хладагента в рабочей камере 7 оставался постоянным.

При снижении уровня жидкого хладагента в промежуточной камере 4 до некоторого ми{шмального за счет непрерывной его подачи в рабочую камеру 7 и испарения в промежуточную камеру 4 периодически подают хладагент из гелиевой ванны 1. Гелиевую ванну 1 заполняют жидким хладагентом из транспортного сосуда при открытом запорном вёнтил«2. 15 и закрытом вентиле 2, затем закрывают запорный вентиль 15, регулятором 12 давления с Уздают перепад давлений . между гелиевой ванной 1 и промужточной камерой 4, открывают для подпитки вентиль 2,

По достижении максимального необходимого уровня жидкости в промежуточной камере 4 вентиль 2 закрывают запорный вентиль 15 открывают, криостат находится в исходном рабочем состоянии. Периодичность операций для подпитки промежуточной камеры 4 зависит от тепловыделений на охлаждаемом объекте 8.

Таким образом, применение предлагаемого криостата обеспечивает непрерывное криостатирование объектов при поддержании постоянной температуры с точностью 10 К, а также позволяет улучшить стабильность температуры до 1(J К. Это достигается благодаря исключению непосредственной связи рабочей камеры с гелиевой ванной, в которую производят подлив жидкого гелия. Кроме того, при использовании предлагаемого криостата расширяется диапазон рабочих температур (измерения можно производить выше 4,2 К ). Эта возможность обеспечивается отсутствием контакта между рабочей камерой.и промежуточной гелиевой емкостью. При этом обеспечивается практически неограниченный ресурс работы со стабильной температурой, так как температура в рабочей камере при подливе жидкого гелия не изменяется.

1.КРИОСТАТ, содержащий гелиевую ванну, промежуточную камеру, сообщаюущюся с гелиевой ванной посредством вентиля и с трубопроводом сбора газа,и рабочую камеру с охлаждаемым объектом, отлйчающийс я тем, что, с целью повышения ста- бильнос.ти температуры в рабочей камере при непрерывном криостатировании объекта, промежуточная и рабочая камеры соединены посредством трубопровода жидкого гелия с вентилем, рабочая камера выполнена теплоизолированной от Промежуточной камеры и сообщена с трубопроводом сбора газа. 2. Криостат по п.I, о т л и ч аю щ и и с я тем, что промежуточная и рабочая камеры сообщены с трубопроводом сбора газа через регуляторы давления. О)