Криостат Советский патент 1992 года по МПК F25D3/10 F17C3/08 

.Пари 2у asomu

Изобретение относится к технике низких температур и касается криостЗтов для проведения исследования электрофизических явлений, например, в полупроводниках. Целью изобретения является снижение расхода криоагента, расширение диапазона регулирования скорости изменения темпе- ратуоы. Образец 4 закрепляют в днище 5 камеры и закрывают крышкой 13. Держатель, заключенный в теплоизолирооанный кожух 7 с металлической оболочкой, х-л а до- провод 6 и теплообменник, содержащий корпус 15 и радиатор 16, размещают в емкости 2, заполненной жидким криоагеи.том 3. Образец 4 охлаждается до температуры, - близко; - к температуре криоагента 3. При нагреве образца включают злектрснагрсвз- тель 9 и закрывают газоотводную трубку 29 и часть каналов 24 - 27. Для изменения диапазона скорости нагрева образца 4 меняют соотношение жидкого и газообразного криоагента 3 в теплообменнике, перекрывая один из каналов 24 - 27. 1 ил. СЛ

Jо

VI

Jfcb

о

л W -J

iiPfytl H; . -zs

iiA,.:J :-:-r:/i-,:,

Изобретение относится к технике низих температур и касается криостатоа для роведения исследований электрофизичеких явлений, например, в полупроводниах.

Известен криостат, содержащий емость для жидкого криоагента с е.иде сосуда ьюара, держатель, расположенный в сосуе Дьюара, на котором крепится образец, охлаждаемый либо парами х .идкого хладагента, либо за счет теплопроводности держателяили хладопровода, осуществляющих тепловую связь между хладагентом и образцом.

Недостатком криостзта является сложность и массивность конструкции, необходимость герметизации или даже откачки криостата во изозжание конденсации на образце влаги. При исследовании объектов с помощью крисстатов трудно реализовать скорость нагрева (более 0.1 К/с).

Кроме того, по мере испарения хладагента, происходящего за счет теплообмена держателя с внешней средой, расстояние, между хладагентом и исследуемым образцом увеличивается. Реализовать воспроизводимость и постоянство скорости нагрева не удается.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является криостат, содержащий емкость для жидкого криойгсн- та, установленный .в ней с возможностью располох ения на поверхности жидкого криоагента теплсизолированный кожух с металлической оболочкой, заключенные в него держатель образца, выполненный в пиде полой камеры со сквозными отверсти$;ми в крышке и днище для прохода паров kpnoa- гента, прикрепленный к днищу камеры хла- допроаод с осевым каналом, соосным с отверстием в днище камеры, злектронагре- вател, расположенный на хладспроводе под днищем камеры.

Недостатками известного криостата являются: непосредственный контакт хлздо- провода с хладагентом, приводящий к .вибрации поплавка-криостата за счет кипе ния хладагента, что вносит помехи при исследованиях; неэкономный расход хладагента; неэкономный расход электро- 1 энергии для достижения повышения скоростей нагрева (более 1 К/с); усложнение средств регулироаания темлературы.

Целью изобретения является снижение расхода крмоагента, расширение диапазона ре г/л гюе-г-н г ч скоглсти нзмлчснич температуры.

На чертеже изображен криостат, аксонометрия.

Криост.т содержит корпус 1 с размещенной в ном емкостью 2 для криоагента 3. Держатель образца 4 выполненный в виде камеры с прикрепленным к ее днищу 5 хладопроводом 6, заключен в теплоизолирую- щий кожух 7 с металлической оболочкой 8 и установлен в емкости 2 с возможностью расположения на поверхности криоагента 3. Электронагреватель 9 в теплоизоляцион0 ной прокладке .10 установлен на хлэцопро- воде 6 под днищем 5 камеры. Последняя выполнена рззъемной со сквозными отверстиями 11 и 12 в крышке 13 и днище 5 соответственно для прохода паров криоа5 гента 3. Хладопровод 6 имеет осевой канал 14, соосный с отверстием 12 в днище 5. Помимо этого криостат снабжен теплообменником, содержащим корпус 15 и радиатор 16. При этом корпус выполнен о виде

0 цилиндрического стакана с обечайкой 17. и установлен так, что его днище 18 имеет тепловой контакт с кожухом 7, а горловина 19 стакана расположена ниже предполагаемого уровня криоагента 3 в емкости 2. Стакан

5 и обечайка 17 выполнены из материала, идентичного соответственно материалу кожуха 7 и оболочки В.

Внутренняя поверхность корпуса 15 имеет купологЗрэзную ферму, и днище 18

0 выпгинено осзосе отверстие 20. Радиатор 16 СЬ:ПРГ,;.СН в виде усеченного кону::з, обращенного мзнышм основанием к днищу 18 корпуса 15, укреплен в отверстии 0 днища 18 и соединен через переходник 21 с

5 хладопрозодом 6. Переходник 21 и радиатор 16 имеют каналы 22 и 23, соосные с каналом 14 в хладопроводе 6. В корпусj 15 и кожухе 7 выполнено в данном случек четыре сквозных качала 24 - 21 для регулмруе0 мого вывода паров криоагента 3 из полости корпуса 15.

Каналы 24 - 27 одним концом открына-. ются на внутренней поверхности корпуса 15 на разном уровне, а в верхней, части выко5 дятся с помощью кембриков 28.В зависимости от выбранного режима часть выведенных кембриков 28 перекрывается с помощью зажимов или фторопластовых пробок (не показано). Крышка 13 и днище 5

0 держателя образца 4. хлэдопронод 6 и радиатор 16 выполнены, например, из меди, а переходник 21 - например, из нержавеющей стали. Кожух 7 и корпус 15 теплообменника выполнены из пенопласта. Отверстие

5 11 в крышке 13 держателя открывается че- рзз (азоотподную труоку 29, выполненную, например, из фторсплгстгч.

Исследуемый образец 4 закрепляют в днище 5 камеры и закрывают крышкой 13. Всю систему в собранном виде, включая

кожух 7 и теплообменник, опускают в емкость 2 и через заливную трубку (не показана) заполняют криоэгентом 3 так, чтобы верх теплоизолирующего кожуха 7 был на одном уровне с верхним краем емкости 2. При охлаждении все газоотводные каналы 24 - 27, включая центральную трубку 29, открыты, что обеспечивает продувку паров криоагентэ через камору. Благодаря хорошей теплопроводности материала хлздо- провода 6, радиатора 16 и полного заполнения теплообменника г.риоэгентом 3 образец 4 охлаждается до температуры, близкой к температуре хриоагента 3. Причем температура образца 4 стабильна, поскольку при ппавающей системе испарение криоагента 3 и понижение его уровня не приводит к изменению расстояния между криоаген тем 3 и исследуемым образцом 4.

При нагреве образца 4 для получения более высоких температур включают электронагреватель 9, причем закрывают газоотводную трубку 29 и часть каналов 24 - 27 в зависимости от необходимой скорости нагрева образца 4. Нижняя чьсть радиатора 16 имеет температуру криоагента 3, а температура образца 4 определяется мощностью нагревателя 9, тепловк:.- сопротивлением хладопровода б, радиатора 16.переходника 21, а также газовой подушкой, образованной за счет паров криоагента 3 в полости теплообменника,

Для изменения диапазона скорости нагрева образца 4 меняют соотношения жидкого и газообразного криоагента 3 в. теплообменника, перекрывая тот или иной из кйналов 24 - 27.

Для достижения больших скоростей нагрева (около 4 К/с) закрывают все каналы, кроме канала 26, находящегося у основания внутренней полости корпуса 15 теплообменника, при этом газообразная подушка занимает внутренний объем корпуса 15 теплообменника и радиатор 16 полностью находится в парах криоэгента.

Для достижения мал ых скоростей нагрева (до 0,6 К/с) открывают один из верхних каналов 25 или 27 и тем самым получают минимальный объем газовой подушки во. внутренней полости, корпуса 15 теплообменника.

Для получения скоростей нагрева меньше чем 0,6 К/с и для стабилизации температуры использую, внешний регулятор температуры {rnj ).

Охлаждение исследуемого объекта производится при выключенном нагревателе 9. В зависимости от того, на каком уровне открыт канал в теплообменнике, можно уско- роть или замедлять охлаждение объекта 4.

Наличие теплообменника, корпус которого выполнен из материала, идентичного материалу кожуха, в виде цилиндрического стакана с куполообразной внутренней поло- стью и осевым отверстием, соссным отверстию хладопровода, позволяет создать в этой полости заполненный парами криоз- гента объем, в котором присутствуют жидкий криоагент и его пары, образующиеся в

0 результате испарения криоагента. Радиатор, расположенный в полости теплообмен- ника, переходник и хладрпровод обеспечивают теплообмен криоагент - образец - криоагент.

5 Наличие теплообменника обеспечивает отрыв радиатора от жидкого криоагечта за счет того, что при включении электронагревателя давление паров криоагента в куполо- образной полости теплообменника

0 увеличивается. По мере увеличения объема, занимаемого парами криоагента, расстояние между криоа-генгом и радиатором увеличивается - это предотвращает бурное кипение криоагента, уменьшает теплозой

5 поток от нагретого держателя к радиатору, и таким образом для достижения заданных скоростей нагревэ подаваемая мощность может быть снижена.

Наличие сквозных соосных в

0 кожухе и корпусе теплообменника, сткрыва ющихся на разных уровнях во внутреннюю полость теплообменника, позволяет регулировать объем газовой подушки. В зависимости от того, на каком уровне открыт канал,

5 осуществляется отток накопившегося газа в атмосферу и тем самым увеличивается или уменьшается объем газа в полости и приближается или удаляется радиатор от хладагента, что позволяет варьировать скорости

0 нагреза образца. Отток излишек газа предотвращает выход пузырей из-под теплообменника криостата. что исключает его вибрацию.

Использование усеченного конусооб5 разного радиатора, обращенного стороной большего диаметра к криоагенту, состыкованного с хладопроводом через проходник, изготовленный из материала с коэффициентом теплопроводности, меньшим, чем мате0 риал радиатора и хладопровода, позволяет увеличить тепловое сопротивление системы радиатор - переходник - хладопровод и /приводит к уменьшению оттока тепла от держателя к хладагенту (прямая связь). В то же

5 Бремя изготозлоние радиатооа из того #.е материала, что и хлпдспроао;;, дао возмг.ж ность запастись холодом и осуществлять обратную связь при нагреве или охлаждении образца. Этому же способствует и выполнение радиатора в виде усеченного конуса.

Кроме того, наличие радиатора в теплообменнике при изменении соотношения объемов теплообменного газа и хладагента D нем позволяет получить широкий диапазон скоростей нагрева от 0,01 до 4 К/с. Нижний предел скоростей нагрееа (0,01 К/с) реализуется, когда теплообменник максимально заполнен хладагентом, при зтом радиатор практически целиком находится в криоагенте. Верхний предел скоростей нагрева (4 К/с) реализуется, когда теплообменник заполнен газовой подушкой, при этом отток тепла от хладопровсда к хладагенту уменьшается. Таким образом, н&лмчия радиатора приводит к изменению площади огьода тепла, что обеспечивает эффективность регулировки скоростей в криостате.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволяет; сократить расход хладагент о, так как при реализации высоких, температур нет непосредственного контакта теплооб- менных элементов криостата (радиатор, переходник) с криоагентом, а лишь с его более. теплыми парами; исключить вибрацию за счет наличия сквозных соосных отьерсткй о кожухе и корпусе теплообменника; достигнуть скорость нагреэа больше 1 К/с при той же, что и у прототипа, мощи, „rit нэгреаа зз счет наличия дополнительно введенных теплообменника, переходника, радиатора, сквозных соосных отверстий в кожухе и корпусе теплообменника; достигнуть линейного изменений температуры от времени при скоростях изменения температуры. Больших 0,6 К/с.

Формула изобретения

Криостат, содержащий емкость для жидкого криоагента, установленный в ней с возможностью расположения на поверхности жидкого кр/.оагекта теплочзолирован- ный кожух с металлической оболочкой,

заключенные в него держатель оорзсщз, выполненный и виде попой камеры со сквозными отверстиями в крышке и днище для прохода пчров криоэгента. прикрепленный

к днищу камеры ХЛЯДОГФОВОА с осезым каналом, соосным с отверстием в днище камеры, электронагреватель, рэспол :;енный на хладспророде под днищем камеры, о т л и ч- а ю щ и и с я тем, что. с целью снижения

расхода криоагента и расширения диапазоне регулирования скорости изменения тем- пйрэтуры,криостат снобх .ен теплообменником, содержащим корпус и рэд йтор, при зтом корпус выполнен в виде

цилиндрического стакана с обечайкой v yc- тзгюг.пен так, что днкщо его теппопой контакт с кожухом, а горловина расположена ниже предполагаемого уровня та в емкости, причем стакан и обечайка

Еыполнеиы из мгтериалз. идентичного соответственно материалу кожуха и оболочки, внутренний поверхность стакана имеет ку- по/юобра нУгО форму, vi а днище его зыпол- нено осевое отверстие, а радиатор

выполнен в виде усеченного конуся, обращенного меньшим основанием к днищу стакана, укреплен у указанном отверстии в днище последнею и соединен через переходник с хладопрозодом, причем пеоеходник и радиатор имеют каналы, сооснне ; каналом в хлздоприподе, а в корпусе и в кох .ухе выполнено по меиьшгй мере по даа сквозных соосных канала для регулируемого вывода паров криоагента из полости стакана, выходные участки которых расположены на внутренней поверхности стакана на разном уросне, при этом радиатор, хладопросод и держатель образца ьь;- полнены из идентичных материалов с

высоким коэффициентом теплопроводности, а переходник - из материала с более низким коэффициентом теплопроводности.