Криостат Советский патент 1991 года по МПК F25D3/10 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к криостатам с регулируемой температурой для оптических исследований, и может быть использовано для исследования сверхпроводимости, электропроводимости, фотопроводимости, а также спектров пропускания материалов.

Известен криостат, содержащий резервуар для криогенной жидкости, на котором на элементе основной тепловой связи подвешена камера для размещения объекта криостатирования, и элемент дополнительной тепловой связи между резервуаром и камерой.

Недостатком криостата является размещение в одном корпусе резервуара с хладагентом и камеры для объекта криостатирования, что увеличивает габариты и представляет неудобства при необходимости быстрой смены образцов.

Известен также криостат для оптических исследований образцов при сверхнизких температурах, содержащий рефрижератор растворения гелия-3 в гелии- 4 с камерой растворения и держателем образца, тракт для падвода оптического излучения, в котором выполнены окна, расположенные на стенках рефрижератора на одной оси с осью держателя образца и выполненные из материала, поглощающего инфракрасное излучение.

Недостатком криостата7особенно для задач, когда требуется быстрая смена образца, является размещение водном корпусе с теплообменниками и образцом сосуда с криоагентом.

Наиболее близким к предлагаемому является криостат для исследования образца, содержащий вакуумированный корпус с оптическими окнами и съемной крышкой, теплообменник с трубопроводами подвода и отвода криоагента, диафрагму и радиационные экраны,установленные концентрично с образованием между ними зазора. Охлаждаемый объект закрепляют на медном торце теплообменника. Для получения необходимой температуры охлаждаемого объекта теплообменник снабжен электрическим нагревателем. В корпусе установлена емкость для криогенной жидкости.

Наличие в одном комплексе криостата сосуда с криоагентом и внутреннего нагревателя неизбежно увеличивает габариты криостата, требует большого расхода криоагента, особенно при температурах, близких к комнатной и, кроме того, в силу большой общей теплоемкости системы обладает большой инерционностью при переходе от одной температуры охлаждения к другой. Размещение трубопроводов и радиационного экрана ввиду большой протяженности хладопроводов вносит неоднородность в распределение теплопритоков, а значит и в распределение температуры по

поверхности образца, что негативно отражается на точности исследований. Кроме того, данная конструкция не позволяет производить быструю смену образца, при которой необходима разгерметизация ваку0 умного объема, что, в свою очередь, невозможно без удаления криоагента и доведения температуры теплообменника и емкости для криоагента до комнатной температуры.

5Цель изобретения - повышение точности исследования путем снижения градиента температуры по поверхности образца и повышение удобства при эксплуатации На фиг.1 изображен предлагаемый кри0 остат, общий вид; на фиг.2 - трубопроводы подвода и отвода криоагента.

Криостат содержит вакуумированный корпус 1 с оптическими окнами 2 и съемной крышкой 3, теплообменник 4 с трубопрово5 дами 5 и 6 подвода и отвода криоагента и размещаемой на нем охлаждаемой диафрагмой 7 для крепления образца 8, радиаци- онные экраны 9 и 10, установленные концентрично с образованием между ними

0 зазора. Экраны 9 и 10 соединены с корпусом 1 посредством крепежных теплоизолирующих элементов 11 и в стенках их напротив окон 2 выполнены калиброванные отверстия 12.

5Криостат снабжен шунтирующим приспособлением в виде особо тонкостенной трубы 13 с днищем 14, края которой закреплены (приварены) на крышке 3, а днище 14 обращено в полость корпуса 1 и имеет отвер0 стие, при этом трубопроводы 5 и 6 размещены внутри трубы 13 и закреплены (впаяны) в отверстии днища 14 с обеспечением теплового контакта один с другим. В экранах 9 и 10 в зоне шунтирующего приспособления

5 выполнены сквозные прорези 15, размер которых соответствует толщине теплообменника 4 с образцом 8 и диафрагмой 7 для введения и извлечения его из полости, образованной внутренним экраном 9.

0 При работе криостата к его корпусу 1 через встроенный клапан присоединяют средства откачки, к трубопроводу 5 - магистраль подвода криоагента, например от сосуда Дьюара, содержащую элементы по5 догрева парожидкостной смеси. Разъем, расположенный на крышке 3 криостата. соединяют с кабелем для проводов, ведущих к термодатчику, установленному на теплообменнике 4 или образце 8, и для проводоЕ) подвода напряжения и/или снятия сигнала

с образца. После этого крышку 3 с теплообменником 4 и диафрагмой 7 снимают с корпуса 1 (без отсоединения магистрали охлаждения и кабеля, если смена образца или монтаж возможны на месте). Образец 8 подводят под диафрагму 7, поджимают пружинами к теплообменнику 4, после чего устанавливают на корпусе 1 крышку 3 и уплотняют ее. После откачки криостата до Па включают систему азотного питания и стабилизации температуры. Криоа- гент проходит через трубопровод 5 подвода и затем, пройдя по каналам в теплообменнике 4, выходит через трубопровод 6. В качестве криоагента используется паро- жидкостная смесь из сосуда Дьюара с жидким азотом при стабилизации давления над жидким азотом за счет поддува осушенного азота из баллона или пневмосистемы. При смене образца теплообменник 4 доводят до комнатной температуры с помощью продува сухого азота через теплообменник от того же баллона, затем перекрывают откачку криостата, напускают в него сухой азот, после чего снимают крышку 3. Труба 13 служит тепловым мостом между днищем 14 с холодными спаями трубопроводов 5 и 6 и крышкой 3 криостата, находящейся при температуре корпуса. Тепловой поток, таким образом, шунтируется участком спая трубопроводов, впаяных в днище 14 трубы 13. Теплопритоки на систему теплообменник 4 - образец 8 - диафрагма 7 определяются в этом случае только распределенными в пространстве теплопритоками за счет излучения окружающих поверхностей и теплопроводностью остаточного газа. Эти тепловые потоки уменьшаются экранами 9 и 10 (в количестве двух и более, для предотвращения запотевания окон),

Предлагаемый криостат в отличие от известных позволяет повысить точность исследования образцов за счет снижения градиента температуры по их поверхности. При разрежении не выше Па и соответствующей обработке поверхностей, участвующих в теплообмене излучением, тепло- притоки за счет излучения и теплопроводности остаточного газа составляют не более 4% мощности, рассеиваемой на криостате и 5 расходуемой на поддержание температуры образца, равной температуре жидкого азота. Охлаждение теплообменника, а значит и образца до температуры жидкого азота и нагрев его до комнатной температуры зани0 мают 8-10 мин на операцию. Если в ходе эксперимента необходимо снять зависимость параметров образца от температуры, .то в силу малой инерционности системы переход с одного на другой температурный

5 режимы при изменении температуры на 5- 10 К возможен в течение 3 мин. Формула изобретения Криостат, содержащий вакуумирован- ный корпус с оптическими окнами и

0 сьемной крышкой, теплообменник с трубопроводами подвода и отвода криоагента. диафрагму и радиационные экраны, установленные концентрично с образованием между ними зазора, отличающийся

5 тем, что, с целью повышения точности исследования путем снижения градиента температуры по поверхности образца и повышения удобства при эксплуатации, он снабжен шунтирующим приспособлением в

0 виде особотонкостенной трубы с днищем, края которой закреплены на крышке, а днище обращено в полость корпуса и имеет отверстие, при этом трубопроводы для подвода и отвода криоагента размещены внут5 ри трубы и герметично закреплены в отверстии днища с обеспечением теплового контакта один с другим, а радиационные экраны соединены с корпусом посредством, крепежных теплоизолирующих элементов и

0 в стенках их напротив оптических окон выполнены калиброванные отверстия, а в зоне шунтирующего приспособления - сквозные прорези, размер которых соответствует толщине теплообменника с образцом для вве5 дения и извлечения его из полости, образованной внутренним экраном.

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к криостатам с регулируемой температурой для оптических исследований образцов. Цель изобретения - повышение точности исследования путем снижения градиента температуры по поверхности образца и повышение удобства при эксплуатации. Теплообменник 4 с трубопроводами укрепляют в днище 14 шунтирующего приспособления,закрепленного на крышке 3. Устанавливают последнюю на корпус 1. Производят вакуумирование корпуса 1. Осуществляют подачу криоагента по трубопроводам, проходящим через полость Теплообменника 4. Особо тонкостенная труба 13 служит тепловым ростом между днищем 14 с холодными спаями трубопроводов и крышкой 3. Тепловые потоки уменьшаются радиационными экранами 9 и 10. При смене образца продувают сухой азот через теплообменник 4, напускают в корпус 1 сухой азот, поднимают крышку 3 и заменяют образцы. 2 ил. СО С vi о ю ю VI

фиг 2