DE2203844A1 - Vorrichtung zum Kühlen eines Kühlgutes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Kühlgutes bzw, einer Kühllast, insbesondere zum schnellen Abkühlen eines Kühlgutes auf eine vorbestinimte Temperatur, wobei das
Kühlgut in Vakuum isoliert bleibt.

Für bestimmte physikalische Untersuchungen, wie etwa
die Bestimmung des Infrarotspektrums oder eines anderen Wellen» längenspektruras einer Probe,ist es erforderlich, die Prob© auf einer vorbestimmten gesteuerten Tiefteraperatur zu halten. Dies

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ist auch bei der Verwendung bestimmter elektronischer Bauelemente notwendig, insbesondere bei den sehr empfindlichen Strahlungsdetektoren wie Infrarotdetektoren. Beim Aufbau eines hohen Vakuums durch einen Kryopumpvorgang muß eine entsprechende Kryopumpfläche schnell abgekühlt und auf einer Tieftemperatur gehalten werden. Alle dfese Verwendungszwecke sind beispielsweise Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Beim Kühlen von Proben, wie sie für Spektraluntersuchungen eingesetzt v/erden,und beim Kühlen empfindlicher elektronischer Bauelemente müssen die Proben und Bauelemente als Kühlgüter so wirksam wie möglich thermisch isoliert werden. Dies wird am besten durch ein gutes Vakuum erreicht. Die Erfindung ist somit auf die Ausbildung einer Arbeitszone gerichtet, in der ein Kühlgut schnell abgekühlt und auf einer vorbestimmten steuerbaren Tieftemperatur in mit Vakuum isolierter Umgebung gehalten werden kann.

Kryopumpkammern sind beispielsweise aus den US-Patentschriften 3 156 406, 3 252 652 und 3 485 054 bekannt. Jedoch sind diese Vorrichtungen nicht dafür vorgesehen, die darin enthaltenen Proben schnell abzukühlen und auf einer steuerbaren Temperatur zu halten. Es besteht ein Bedarf für eine relativ einfach zu handhabende und steuerbare Vorrichtung, die ein leichtes Auswechseln der Proben, eine schnelle Abkühlung und Evakuierung ermöglicht, während gleichzeitig die Probe durch Strahlung leicht zugänglich und auch visuell beobachtbar sein soll. Die Erfindung schafft hier Abhilfe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß ein in einem isolierenden Vakuum angeordnetes Kühlgut schnell auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt und eine erforderliche Zeitlang auf dieser Temperatur

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gehalten werden kann. Die Vorrichtung soll insbesondere zumKühlen von Proben für Spektraluntersuchungen und zum Kühlen elektronischer Bauelemente wie empfindlicher Detektoren und dgl. geeignet sein. Ferner soll eine verbesserte Kryopumpvorrichtung mit einer Einrichtung zum steuerbaren Kühlen eines in der durch Kryopumpen evakuierten Kammer angeordneten Kühlgutes vorgeschlagen v/erden, wobei alle Steuervorgänge von außerhalb angeordneten Steuereinrichtungen ausführbar sein sollen.

Mit der Erfindung soll es möglich sein, Proben für physikalische Untersuchungen und elektronische Bauelemente abzukühlen und äußerst genau über längere Zeit auf einer bestimmten Tieftemperatur zu halten. Während des Kühlens des Kühlgutes soll zugleich das Arbeitsvolumen, in dem das Kühlgut angeordnet ist, durch Kryopumpen evakuiert werden.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Arbeitszone vorgesehen, in der das Kühlgut (eine Probe, ein elektronisches Bauelement, eine Kryopumpfläche und dergleichen) in einer mit Vakuum isolierten Umgebung auf einer vorbestimmten eingestellten Tieftemperatur gehalten wird. In einem fluiddichten Hauptgehäuse ist eine erste evakuierbare Kammer ausgebildet, welche die Arbeitszone bildet, wobei sich eine kryogene Kühleinrichtung in dieses Gehäuse erstreckt. Die Kühleinrichtung, die ein mechanisches Kühlaggregat oder ein zirkulierendes kryogenes Fluid sein kann, ist so angeordnet, daß sie von einer ersten Wärmeleitstation aus eine oder mehrere zweite Wärmeleitstationen in der Arbeitszone über eine Wärmeflußbahn (normalerweise eine bestimmte Ausführungsform eines thermischen Schalters) kühlt, die mit der ersten Wärraeleitstation in thermischem Kontakt steht und so ausgebildet ist, daß sie steuerbar an der zweiten Wärmeleitstation oder entsprechenden Stationen

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thermisch sleitend zur Anlage gebracht werden kann, um die Temperatur dieser zweiten Wärmeleitstation oder - Stationen und eines Kühlgutes oder Kühlgüter zu steuern, die mit der zweiten Wärmeleitstation oder diesen Stationen in thermischer Verbindung stehen. Der Abschnitt der Kühleinrichtung, der sich in das Hauptgehäuse erstreckt, ist in einer zweiten evakuierbaren Kammer angeordnet, die mit der ersten evakuierbaren Kammer, in der sich die Arbeitszone befindet, in einer einstellbaren Fluidverbindung stehen kann. Die evakuierbaren Kammern können durch mechanische Einrichtungen oder durch eine Kombination mechanischer Einrichtungen und durch Kryopumpen evakuiert werden. Die Kryopumpfläche kann in einer der beiden evakuierbaren Kammern oder in beiden angeordnet sein.

Beispielsweise Ausführungsformen nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen

Fig. 1 in einer schematischen Querschnittsdarstellung eine Ausführungsform der Vorrichtung zeigt, bei der jede der evakuierbaren Kammern getrennt leer gepumpt wird, die eine durch mechanische Pumpen und durch ryopumpen und die andere durch Kryopumpen allein.

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung längs der Linie II - II in Fig. 1.

Fig. 3 erläutert die Verwendung eines kryogenen Fluids als Kühleinrichtung anstelle des mechanischen Kühlaggregats nach Fig. 1 sowie die Verwendung eines beweglichen Kupferstreifens als thermischen Schalter.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine . modifizierte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei zwei Wärmaleitstationen in dem Arbeitsvolumen vorgesehen sind.

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Fig. 5 bis 7 erläutern die Verwendung eines flexiblen Bandes und einer Feder als Wärme-flußbahn, die als thermischer Schalter dienen.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform unter Verwendung von zirkulierenden^ unter hohem Druck stehendem Helium als Wärmeflußbahn, das als thermischer Schalter dient.

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der zwei evakuierbare Kammern miteinander in Fluidverbindung treten können und ein Kryopumpvorgang in der evakuierbaren Hilfskammer den mechanischen Pumpvorgang unterstützt.

Fig.10 zeigt Einzelheiten eines Teils des thermischen Schalters der Vorrichtung nach Fig. 9.

Fig.11 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung, bei welcher der thermische Schalter mit einem Reservoir verbunden ist, das ein kryogenes Fluid enthält, welches als Kühlquelle dient.

Fig.12 ist ein Schnitt längs der Linie 12 - 12 in Fig. 11 und zeigt eine Einrichtung, durch welche der Schalter thermisch mit dem Fluidreservoir verbunden werden kann.

Fig.13 stellt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, die als Arbe.itsvolumen einen mit Fenstern versehenen Spektroskop-Probehhalter aufweist. Ferner zeigt diese Figur eine abgeänderte Ausführungeform des thermischen Schalters«

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Fig. 14 zeigt eine andere Ausführungsform des mit Fenstern versehenen Probenhalters nach Fig. 13.

Fig. 15 ist ein Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines thermischen Schalters, der thermisch leitend mit einem Tieftemperatur-Kälteaggregat verbunden und in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbar ist.

Fig. 16 ist ein Querschnitt des Schalters längs der Linie 16 - 16 in Fig. 15 und zeigt eine Einrichtung, durch welche der Schalter thermisch mit der Kühleinrichtung verbunden werden kann.

Fig. 17 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer abgeänderten Kammeranordnung sowie einer anderen Anordnung der Arbeitszone in der Vorrichtung.

Fig. 18 ist eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig.17.

Fig. 19 zeigt teilweise im Schnitt einen Schalter mit einer magnetischen Einrichtung zum Ein- und Ausschalten, der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann.

Die Hauptelemente der Vorrichtung werden zunächst anhand der etwas vereinfachten Querschnittsdarstellungen der Fig. 1 bis erläutert. Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 weist ein fluiddichtes Hauptgehäuse 20 einen Abschnitt 21 auf, der eine erste evakuierbare Kammer 22 umschließt, welche die eigentliche Arbeitszone darstellt, sowie einen zweiten Abschnitt 23,der ein darin angeordnetes Hilfsgehäuse 24 enthält, welches eine zweite evakuierbare Kammer 25 bildet. Die

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Vorrichtung nach Fig. 1 ist mit einem mechanischen Kühlaggregat 26 versehen, dessen Antriebsmechanismus 27 außerhalb des Hauptgehäuses 20 angeordnet ist. Das Kühlaggregat 26 ist eine zweistufige Kältemaschine wie sie in den US-Patentschriften 2 966 035, 3 188 819 und 3 218 815 beschrieben ist. Die erste Stufe 28 und die zweite Stufe sind innerhalb der Kammer 25 angeordnet, wobei nicht dargestellte Abdichtungen zwischen dem Gehäuse der Stufe und dem Hauptgehäuse 20 vorgesehen sind. Am kalten Ende der zweiten Refrigeratorstufe 29 ist eine erste Wärmeleitstation 30 für das Kühlaggregat befestigt, die von einem kryogenen Fluid gekühlt wird, z.B. von Helium, das in dem Kühlaggregat zirkuliert. Mit dem Ausdruck Wärmeleitstation soll eine thermische Masse bezeichnet werden, die gewöhnlich aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und eine Kühlquelle, beispielsweise ein expandierendes Fluid oder ein verdampfendes Kryogen mit einem bestimmten zu kühlenden Gegenstand oder einer wärmeübertragenden Hilfseinrichtung verbindet, beispielsweise einer Wärmeleitbahn zu einer Joule-Thomson-Schleife oder einem thermischen Verbindungsglied zu einem bestimmten Kühlgut. Für diesen Zweck geeignete Wärmeleitstationen sind in den US-Patentschriften 2 966 035 und 3 600 903 beschrieben.

Das Ende des Hilfsgehäuses 24, das in die Kammer 22 ragt, ist mit einem Teil 35 versehen, das aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit wie nichtvrostendem Stahl besteht und einen Stöpsel 36 auf-weist, der aus Kupfer oder einem anderen Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Das Teil 35 ist mit einem zweiten Teil 37 abgedeckt, das wie der Stöpsel 36 aus Kupfer besteht. Eine Kupferschraube 38 (oder ein anderes in geeigneter Weise gestaltetes Teil), die in thermischem Kontakt mit dem

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Stöpsel 36 steht und durch das Teil 37 geführt ist, dient als zweite Warmeleitstation für das Kühlgut in der Arbeitszone 22. Mit dieser Kupferschraube ist das Kühlgut 39 thermisch leitend verbunden.

Als Teil der steuerbaren Wärmeflußbahn (thermischer Schalter) zwischen der ersten Warmeleitstation 30 und der zweiten Warmeleitstation 38 dient ein flexibler Kapferstreifen 40, der an der Warmeleitstation 30 befestigt ist. Dieser Kupferstreifen 40 wird am Stöpsel 36■(und damit an der Schraube 38) mittels einer Stange 43 zur Anlage gebracht und von diesem wieder gelöst, die aus dem Hauptgehäuse 20 herausragt. Die Stange 43 ist auf der Unterseite des Kupferstreifens 40 durch eine Feder 44 befestigt, die einen steuerbaren Kontakt zwischen diesem Streifen 40 und dem Stöpsel 36 gewährleistet. Die thermische Leitfähigkeit eines körperlichen Kontaktes zwischen zwei Flächen in einem hohen Vakuum ist eine Funktion der tatsächlichen Kontaktfläche und damit eine Funktion der Streckgrenze bzw. Fließfestigkeit der beiden in Kontakt stehenden Materialien und der Normalkraft zwischen den sich berührenden Flächen. Durch Zusammendrücken der Feder 44 wird die Normalkraft zwischen den in Berührung stehenden Flächen 40 und 36 erhöht, so daß sich eine Verstärkung und eine steuerbare thermische Leitfähigkeit des Kontakts ergibt. Bei einer anderen Anordnung können die beiden Endteile 35 und 37 zu einem einzelnen Kupferteil verbunden sein, wobei in diesem Falle der Stöpsel 36 entfällt und der Streifen 40 zur Ausbildung eines thermisch leitenden Kontakts direkt an diesem Kupferteil zur Anlage kommt. Die Schraube 38 kann dann an irgendeiner Stelle in diesem Kupferendteil angeordnet werden.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 ist das Arbeitevolumen 22 über eine mit einem Ventil ν ^/ücne Leitung 47 an eine Pumpe zur Erzeugung eines groben Vakuums und über

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eine mit einem Ventil versehene Leitung 48 an eine Ionenpumpe angeschlossen. Die Oberfläche des Oberteils 37 (oder der miteinander verbundenen Teile 35 und 37, wenn eine solche Verbindung vorgesehen ist) dient als Kryopumpfläche, um die Pumpwirkung der Vakuumpumpe und der Ionenpumpe zu verstärken. Das Hilfsvolumen 25 wird zunächst durch irgendeine geeignete Einrichtung evakuiert und während des Betriebs durch Kondensieren der Gase auf den kalten Oberflächen der Wärmeleitstation 30,des Kupferstreifens 40 und auf der freiliegenden Fläche des Endteils, wenn dieses ganz aus Kupfer besteht, durch Kryopumpen weiter evakuiert.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 liefert ein kryogenes Fluid die erforderliche Kühlung in einer Vorrichtung, die in anderer Hinsicht ähnlich der nach Fig. 1 ausgebildet ist. Die Kühleinrichtung ist bei diesem Ausführungsbeispiel im Oberteil der Vorrichtung angeordnet, so daß ein Hauptgehäuse 20 mit ggfs. nur einem einzelnen Abschnitt erforderlich ist. Ein Hilfsgehäuse 53, das den Teil der Kühleinrichtung umschließt, der sich in das Hauptgehäuse erstreckt, ist üblicherweise aus nichtrostendem Stahl ausgebildet und auf der Oberseite an einem Träger 54 aufgehängt, der durch Schrauben 55 am Gehäuse 20 befestigt ist. Dieses Hilfsgehäuse 53 endigt in einem Unterteil 56 aus Kupfer. In der zweiten evakuierten Kammer 57 ist ein Gefäß 58 zur Aufnahme von flüssigem Helium 59 (oder eines anderen kryogenen Fluids) angeordnet. Ein Kupferstü'ck 60 bildet wenigstens einen Teil der Unterseite dieses Gefäßes 58 und es dient als erste Wärmeleitstation. Zwischen einer nicht dargestellten Quelle mit flüssigem Helium und dem Innenraum des Gefäßes 58 stellt eine mit einem Steuerventil versehene, isolierte Leitung 61 eine Verbindung her. Eine Leitung 62 mit einem durch

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Druck gesteuerten Einwegventil 63 dient zum Ableiten des verdampften Heliums aus dem Gefäß 58. äas Gefäß 58 mit flUßigem Helium ist ein ringförmiges Gefäß 65 mit einer kryogenen Flüssigkeit 66 wie etwa Stickstoff angeordnet, das als Strahlungsschild für das Heliumgefäß dient. Der flüssige Stickstoff wird durch eine mit einem Steuerventil versehene Leitung 67 in das Gefäß 65 eingeleitet, während das durch Verdampfung entstehende Stickstoffgas über eine Leitung 68 abgezogen wird, die mit einem durch Druck steuerbarem Einwegventil 69 versehen ist.

Die Wärmeflußbahn bzw. der thermische Schalter der Vorrichtung nach Fig. 3 ist im wesentlichen ebenso ausgebildet wie bei der AusfUhrungsform nach Fig. 1. Der flexible Kupferstreifen 40 kann thermisch leitend am Unterteil 56 zur Anlage gebracht werden, das mit einer geeigneten zweiten Wärmeleitstation, beispielsweise einer Kupferschraube 72, versehen ist und mit dieser in wärmeleitendem Kontakt steht. Durch Verdrehen der Stange 43 kann die Kühleinrichtung steuerbar mit einem Kühlgut thermisch leitend in Verbindung gebracht und von diesem wieder gelöst werden, das mit der Schraube 72 (Wärmeleitstation) in thermischem Kontakt steht. Wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 werden die beiden evakuierbaren Kammern 22,und 57 durch Kryopumpen evakuiert, nachdem sie mechanisch leer gepumpt wurden, wobei die beiden Oberflächen des Kupferteils 56 für beide Kammern als Kryopumpflächen dienen.

Die Vorrichtung nach Fig. k, in der für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig.1 verwendet sind, ist eine weitere Ausgestaltung der Ausgangsvorrichtung zur Verwendung von zwei oder mehreren zweiten Wärmeleitstationen für das Kühlgut, die in der Arbeitszone angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist

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das Hauptgehäuse 75 mit einem Ansatz 76 versehen, der einen Flansch und einen abnehmbaren Deckel 77 aufweist, in dem ein Fenster ausgebildet sein kann und der durch Schraubenbolzen 78 über geeignete Dichtungsringe 79 und 80 befestigt ist, so daß die Arbeitszone 85 leicht zugänglich ist. In dieser Arbeitszone sind swei ¥ärmeleitstationen-86 und 87 vorhanden. Die Wärmeleitstation 86 kann beispielsweise eine Kupferstange sein_s die thermisch leitend an einem Kühlgut 88 (wie etwa einem elektronischen Bauelement) zur Anlage gebracht werden kann, während die Wärmeleitstation 87 als "/erstehende Kupferfläche zum Kryopumpen ausgebildet 2:sin kann. Diese Wärmeleitstationen endigen in Stöpsels 39 und 90, die in einem Endteil 9Λ angeordnet sind, das zur Isolierung der Stöpsel 89 und 90 aus einem Material geringer thermischer Leitfähigkeit besteht. Zusätzlich zu dem Kupferstreifen 40 ist ein zweiter Kupferstreifen 92 mit einer zweiten Feder 93 und einer sich nach außen erstreckenden Betätigungsstange 94 vorgesehen, damit die Wärmeleitstation 87 getrennt mit der Wärmeleitstation 30 des Kühlaggregat-s in ?erbindung gebracht werden kann.

Bei der besonderen Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 4 ist es möglich, zunächst die Wärmeleitstation zum Kryopumpen des Volumens 85 zur Anlage zu bringen, bevor das der Wärmeleitstation 86 zugeordnete Kühlgut 88 gekühlt wird. Es ist nach der Erfindung möglich, mehr als zwei Wärmeleitstationen in der Arbeitszone vorzusehen und sie über getrennte oder eine gemeinsame Wärmeflußbahn mit dem Kühlaggregat zu verbinden. Bei Verwendung mehrerer Wärmeleitstationen und durch Ausbildung von zwei oder mehreren von diesen als Kühlflächen zum Kryopumpen kann der Kryopumpvorgang in Stufen erfolgen, dem zusätzliche Flächen verwendet

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werden, während der Druck in der Arbeitskammer absinkt. Zusätzlich zu dem Kryopumpvorgang sind weitere Einrichtungen vorgesehen, um zunächst die beiden Kammern 25 und 85 über mit Steuerventilen versehene Leitungen 97 und 98 durch eine mechanische und eine Ionenpumpe zu evakuieren.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen eine andere Ausbildung der Wärmeflußbahn bzw. des thermischen Schalters ,mit dem es möglich ist, die tatsächliche Temperatur des Kühlgutes in der Arbeitszone zu variieren. In diesen Figuren sind die gleichen Bezugszeichen für gleiche Bauelemente wie in Fig. 1 verwendet. Ein Endteil 110 des Hilfsgehäuses 24 besteht aus einem Material,das bei Tieftemperaturen eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, beispielsweise nicht-rostendem Stahl_/und es ist mit einem Kupferstöpsel 111 (von beliebiger Ausgestaltung) versehen, der wiederum eine Kupferschraube 112 aufweist, die als Wärmeleitstation in der Arbeitszone dient. An der Wärmeleitstation ist ein Kupferband 113 befestigt, das dauernd mit einem Federteller 114 aus Kupfer in Berührung steht, der auf einer Stange 115 angebracht ist, die von außen betätigt werden kann. Auf diesem Federteller 114 ist eine Spiralfeder 116 aus Beryllium und Kupfer befestigt. Wenn der Federteller - wie in Fig. 5 dargestellt - sich in einer Stellung befindet, in der ein Kontakt der Feder mit dem Kupferstöpsel 111 verhindert wird, so wird das Kühlgut, das thermisch leitend mit der Schraube 112 verbunden ist, nicht gekühlt. Wird dann die Betätigungsstange 115 - wie Fig. 6 zeigt - verschoben, so kommt die innere Windung der Feder zum Anliegen/und schließlich werden - wie Fig. 7 zeigt - alle Windungen der Feder an dem Kupferstöpsel zur Anlage gebracht, damit das Kühlgut voll gekühlt werden kann. Auf diese Weise kann durch Einstellen der Stellung des Feder-

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tellers 114 durch Verdrehen der Betätigungsstange 115 die Normalkraft zwischen den Enden der Feder und den Flächen auf den Teilen 111 und 114 gesteuert werden, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Kontaktflächen eingestellt bzw. erhöht werden kann. Dies wiederum verkürzt in wirksamer Weise die Länge der Wärmeflußbahn zwischen den Flächen 111 und 114, so daß die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeflußbahn erhöht wird. Für ein gegebenes Kühlgut kann die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Wärmeleitstationen und damit die Temperatur des Kühlgutes, das an der zweiten Wärmeleitstation 111 angebracht ist, gesteuert werden.

Die Fig. 8 erläutert die Verwendung von zirkulierendem, unter hohem Druck stehendem Helium als weitere Ausführungsform eines thermischen Schalters, mit dem die Temperatur des Kühlgutes gesteuert werden kann. Das Helium zirkuliert in einer Wicklung 120, die um die Wärmeleitstation 30 des Kühlaggregates gewickelt ist j und ggfs. kann in der Arbeitskammer zur Ausbildung der Wärmeleitstation für die Kühlung des Kühlgutes eine Spiralwicklurig 121 ausgebildet werden. Das Helium wird durch eine Pumpe 121 in Umlauf gesetzt, deren Drehzahl zur Steuerung der Temperatur des Kühlgutes verwendet wird.

Die Fig. 9, 10, 13, 14, 17 und 18 erläutern im einzelnen die Verwendung der Vorrichtung für spezielle Einrichtungen, insbesondere zum Kühlen elektronischer Detektoren und Proben für spekifoskopische Untersuchungen, während die Fig. 11, 12, 15, 16 und 19 Einzelheiten von thermischen Schaltern zeigen.

Die Vorrichtung nach Fig. 9 ist zum Kühlen „

eines Infrarotdetektors ausgestaltet. Das fluiddichte

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Hauptgehäuse besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Hauptabschnitt 125 mit einem nach innen ragenden Flansch 126 am einen Ende, an dem mittels Schraubenbolzen 128 eine Endplatte 127 durch einen Dichtungsring 129 dicht befestigt ist, und einem nach außen ragenden Flansch 130 am anderen · Ende, an dem eine weitere Endplatte 131_{mittels Schraubenbolzen 132 befestigt und durch einen Dichtungsring 133 abgedichtet ist. An dem zylindrischen Hauptabschnitt 125 ist ein zweiter zylindrischer Abschnitt 135 angebracht, der aus zwei Teilen besteht. Der obere Teil 136 dieses Abschnitts 135 bildet die erste evakuierbare Kammer 137 mit der Arbeitszone, während der untere Teil 138 des Abschnitts 135 eine Verlängerung der Kammer 139 darstellt, welche jenen Teil des Kühlaggregates 26 aufnimmt, der sich in das Hauptgehäuse erstreckt. Bei dieser Ausführungsform nach Fig. 9 dient somit ein Abschnitt des Hauptgehäuses auch als Hilfsgehäuse.

Die Kammer 137 ist von der zweiten Kammer 139 durch eine relativ dicke Wand 145 isoliert, die an einem unteren Ring 146 mittels Schraubenbolzen 147 befestigt ist und durch einen Dichtungsring 148 an diesem dicht anliegt. Die Wand 145 ist ferner durch einen Dichtungsring 149 an einem oberen Ring 150 abgedichtet, der am Abschnitt 136 des Gehäuses festgeschweißt ist. Diese Wand 145 ist mit einer Öffnung 152 versehen, in der ein Rohrstück aus einem inneren zylindrischen Rohrstück 153 und einem äußeren zylindrischen Rohrstück 154 festgelötet ist, die mittels eines stöpselartigen Ringes 155 konzentrisch gehalten werden. Der Zweck dieser Ausgestaltung ist, eine thermische Isolierung für die Bauteile vorzusehen, welche die Wärmeflußbahn bilden. Die Wand· " 1.45 ist mit einer zweiten öffnung 156 versehen, in der ein Ventilzapfen 157 durch Verschieben einer Stange 158 eingesetzt werden kann, die durch die Wand des Abschnitts I36 aus der Kammer 137 herausragt und durch

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eine nicht dargestellte Abdichtung dicht in dieser Wand geführt ist. Durch Verschieben dieser Stange 158 nach oben oder unten kann über die Öffnung 156 eine Fluidverbindung zwischen den beiden Kammern freigegeben oder geschlossen werden.

Das Gehäuse 125 v/eist ferner einen Ansatz 160 auf, in dem ein Abschnitt der Betätigungseinrichtung für die Wärmeflußbahn untergebracht ist, sowie eine Leitung 161, die über ein Ventil Λ 62 an eine nicht dargestellte mechanische Vakuumpumpe angeschlossen ist.

Die Vorrichtung nach Fig. 9 ist mit einem mechanischen Kühlaggregat ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten versehen. An der Wärmeleitstation 30 des Kühlaggregats ist eine flache Kupferscheibe 165 befestigt, auf der ein Kupferband 166 (Fig. 10) festgeschraubt oder in anderer Weise befestigt ist, das um die Außenfläche eines Wandabschnitts eines fluiddichten Zylinders gewickelt ist, der einen Teil der Wärmeflußbahn bildet. Dieser fluiddichte Zylinder ist allgemein mit 170 bezeichnet. Von unten nach oben in der Darstellung in Fig. 9 weist dieser Zylinder einen Abschnitt 171 zur Aufnahme einer Zahnstange, einen T-förmigen Abschnitt 172 zur Verbindung mit einem weiteren Zylinder, einen Abschnitt 173 mit einer dünnen Wand aus nichtrostendem Stahl, einen Abschnitt 174 mit einer relativ dicken Kupferwand, einen weiteren Abschnitt 175 mit einer dünnen Wand aus nichtrostendem Stahl, einen zweiten Abschnitt 176 mit einer relativ dicken Kupferwand und einen kompakten Endabschnitt 177 aus Kupfer auf, der auf der Innenwand des zylindrischen Rohrstückes 153 abgedichtet ist. In diesem Zylinder 170 ist ein Kupferstößel 180 angeordnet, der an einer Zahnstange 181 befestigt ist, die zum Verschieben dieses Kupferstößels inner-

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halb des Zylinders mit einem Ritzel 182 in Eingriff steht. Dieser !-"tößel bildet einen engen Ringspalt 183 mit der Innenvand des Zylinders.

Durch ein f7. aiddichtes T-Stück 186 ist ein zweiter fluiddichter Zy?.inder 185 mit dem Zylinder 170 verbunden. Dieser Zylinder '35 besteht aus einem Rohrstück 187, das wiederum mit einer; dicken Rohrstück 188 verbunden ist, welches durch die Endplatte 131 geführt und durch einen Dichtungsring in diener abgedichtet ist. Das Ritzel 182 ist über eine Stange* 190 mit einem von Hand betätigbaren Knopf I9I verbunden, der außerhalb der evakuierbaren Kammer angeordnet ist, Diese Stange 190 ist von einem rohrförmigen Gehäuse 192 umgeben, wobei nicht dargestellte Abdichtungen für die notwendige Abdichtung um diese Stange vorgesehen sind. Das Stangengehäuse 192 und die Innenwand des Zylinders 185 bilden einen Ringspalt 195, der über eine mit einem Steuerventil versehene Leitung 196 an eine nicht dargestellte Quelle für unter hohem Druck stehendes Helium und an den Ringspalt 183 im Zylinder 170 angeschlossen ist. Die leeren Räume der Zylinder 170 und 185 sind mit unter Druck stehendem Helium (z.B. von 5 Atmosphären) gefüllt. Diese Zylinder 170 und 185 sowie die in diesen enthaltenen Bauteile " bilden zusammen mit dem Betätigungsknopf 191 einen thermischen Schalter.

Die Wärmeleitstation in der Arbeitszone ist als Kupferschraube 200 ausgebildet, die in das Abschlußteil 177 aus Kupfer eingesetzt ist und an der ein elektronischer Detektor 201, z.B. ein Infrarotdetektor, als Kühlgut befestigt ist. Dieser Detektor ist so angeordnet, daß sein auf Strahlung ansprechendes Element 202 einem Fenster 203 gegenüberliegt, das dicht in der Wand des Gehäuseabschnitts 136 eingesetzt ist.*Durcn diese Wand sind ferner Leitungsdrähte 204 an den Detektor angeschlossen,

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die mit einer elektronischen Ausrüstung verbunden sind. Für den Abbau des Vakuums in der Kar/ner 137 ist eine Belüftungsleitung 206 mit einem Steuf wentil vorgesehen.

Zunächst wird beim Betrieb der Vorrichtung nach Fig.9 das elektronische Bauelement 201 in seine Stellung gebracht und der obere Teil 136 dos Gehäuseabschnitts 135 mit den restlichen Abschnitten des Hauptgehäuses - wie dargestellt - verbunden. Hierauf wird die Stange 158 angehoben, damit eine Flv,.ldverbindung zwischen den Kammern 137 und 139 vorfanden ist. Das gesamte Volumen des fluiddichten Gf/iäuses wird dann durch Öffnen des Ventils 162 vor. einer mechanischen Vakuumpumpe leergepumpt. Währejvi dieses Betriebs zustande s iä± das Kühlaggregat eingeschaltet und der Kupferstößel 180 vollständig von dem aus Kupfer bestehenden Abschlußteil 177 gelö'/o. Dies bedeutet, daß das unter hohem Druck stehende ^TIelium in den Zylindern 170 und 185, den Kupferstöße"- von dem Abschlußteil aus Kupfer thermisch isoliert und das Kühlgut 201 über die. Wärmeleitstation ¹JZW, die Schraube 200 nicht gekühlb wird. Wenn der D.Mck in den beiden Volumen durch eine. mechanische Pum^e auf eine vorbestimmte Höhe (üblicherweise etwa 1 T.'rr) reduziert ist, wird das Ventil 162 geschlos?.-n, worauf auf der Oberfläche der Scheibe 165 und den Oberflächen der Kupferabschnitte 174 und 176 des Zy?.Inders 170 ein Kryopumpvorgang einsetzt, der fortgesetzt wird, bis das erwünschte Vakuum erreicht j/.t. Hierauf wird der Betätigungsknopf 191 verdreht, so daß der Kupferstößel 180 in Richtung auf das K·schlußteil aus Kupfer vorgeschoben wird. Der Abstand zwischen dem Kupferstößel und dem Abschlußbeil aus Kupfer wird zur Vorbestimmung der Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wärmeleitstation 30 und der Wärraeleitstation 200 und damit der Temperatur

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des elektronischen Detektors 201 verwendet. Wird dieser Abstand verringert, so sinkt die Temperatur des elektronische: Detektors, bis bei Kontakt zwischen dem Stößel 180 und dem Abschlußteil 177 die niedrigste Temperatur erreicht wird. Wenn das Kühlgut aus dem Arbeitsvolumen herausgenommen werden soll, wird der Stößel 180 vollständig von dem Abschlußteil zurückgezogen, damit keine Kühlung des Kühlgutes mehr erfolgt. Wenn lediglich die Kammer 137 wieder unter Druck gesetzt werden soll, wird der Ventilzapfen in seine Schließstellung verschoben, so daß die Kammer 137 von der Kammer 139 isoliert ist, worauf die Belüftungsleitung 206 geöffnet wird. Das obere Gehäuse I36 der Arbeitskammer 137 kann dann abgenommen und der Detektor entfernt werden. Bei Raumtemperatur kann dann ein anderes Kühlgut mit der Wärmeleitstation 200 verbunden werden. Das obere Gehäuse 136 wird hierauf wieder aufgesetzt und das Ventil 157 geöffnet. Durch die Kryopumpflächen in der -Kammer 139 wird das Gas in der Arbeitskammer 137 .vollständig entfernt. Nachdem ein ausreichendes Vakuum in der Kammer 137 erreicht ist, wird das thermisch leitende Verbindungsglied durch Verschieben des Stößels 180 in die erforderliche Stellung betätigt, damit das neue Kühlgut die erwünschte Temperatur erhält. Bei dieser Arbeitsweise können verschiedene Proben schnell ausgewechselt werden, ohne daß die kryogene Einrichtung beeinträchtigt wird oder demontiert werden muß.

Wenn das Kühlgut ein Kryopanel - wie in Fig. 1 bei 39 angedeutet - ist, kann es die Form einer kleinen thermischen Masse, beispielsweise einer dünnen Kupferfolie von einigen Quadratzentimetern, haben. Eine solche thermische Masse erwärmt sich schnell auf Raumtemperatur,wenn, sie Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird, und es wird keine nennenswerte Feuchtigkeit an ihr kondensieren.!Wenn die Arbeitszone auf etwa 1₍Torr wieder vorevakuiert wird, kann eine solche kleine thermische Masse nahezu unmittelbar auf

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Kryopumptemperaturen abgekühlt werden, wenn sie in thermisch leitenden Kontakt mit der Wärmeleitstation des Kühlaggregates gebracht wird. Das bedeutet, daß das normalerweise verwendete große Isolationsventil für das Hochvakuum, das bei üblichen Kryopumpvorrichtungen erforderlich ist, entfallen kann.

Die Fig. 11 und 12 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform des thermischen Schalters nach Fig. 9, bei dem eine kryogene Flüssigkeit als Kühlquelle verwendet wird, wie es bei der Vorrichtung nach Fig. 3 der Fall ist. In den Fig.11 und 12 sind für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 3 und 9 verwendet. Der Aufbau der übrigen Vorrichtungsteile, die in Fig. 11 nicht dargestellt sind, kann der gleiche sein wie der in Fig. 9 dargestellte. Ebenso ist die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 11 die gleiche wie die Vorrichtung nach Fig. 9. Entsprechend der üblichen Praxis bei der Handhabung kryogener Kühlquellen wird eine wirksame Isolierung wie etwa eine nicht dargestellte e/akuierte Kammer vorgesehen, welche die Kühlquelle umgibt, die ein Kühlaggregat oder ein Vorrat an einer kryogenen Flüssigkeit sein kann.

Die Vorrichtung nach Fig. 13 ist zum Kühlen einer Probe für spektroskopische Untersuchungen ausgelegt. Für gleiche Bauteile sind die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 9 und 10 verwendet. Bei dieser Vorrichtung umfaßt das Hauptgehäuse einen äußeren zylindrischen Abschnitt 210, der am einen Ende durch einen Flansch 211 und eine über einen Dichtungsring 212 dicht an diesem anliegende Platte 213, die zur Halterung eines Kühlaggregates dient,und am anderen Ende durch ein Gehäuse 214 zur Aufnahme der spektroskopischen Probe verschlossen ist, das über Flansche 215 und 216 am zylindrischen

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Abschnitt abnehmbar befestigt und durch einen Dichtungsring 217 abgedichtet ist. Innerhalb des äußeren zylindrischen Abschnittes 210 ist eine durch ein Endteil 221 abgedichtete, zylindrische Innenwand 220 angeordnet, die sich über einen Teil der Längsabmessung des äußeren Abschnitts um das" Kühlaggregatende erstreckt und etwas über dieses bis in das Ende des Probengehäuses hinausragt. Der zwischen den beiden konzentrischen zylindrischen Wänden 210 und 220 gebildete Ringspalt 222 ist durch einen Ring 223 abgedichtet, so daß die evakuierbare Kammer 225, in der sich die Arbeitszone befindet, von der evakuierbaren Kammer 226 isoliert ist, in die sich das Kühlaggregat erstreckt. Über eine Leitung 228 mit einem Ventil 229 kann eine Fluidverbindung zwischen den Kammern 225 und 226 hergestellt werden.

Der Zylinder 170 ist in der gleichen Weise ausgebildet, wie es Fig. 9 durch eine Querschnittsansicht im einzelnen dargestellt ist. Der Kupferstößel in dem Zylinder wird mittels einer Schraubanordnung mit einer Schraube 235 vor-und zurückgeschoben, die an einer Stange 236 befestigt ist, welche durch einen Betätigungsknopf 237 verdreht werden kann, wobei alle diese Bauteile in der angegebenen Weise angeordnet und durch einen Dichtungsring 238 abgedichtet sind, der das Gehäuse fluiddicht abschließt. Die Kupferscheibe 165 auf der Wärmeleitstation 30 des Kühlaggregates ist thermisch leitend über ein Verbindungsstück 240 aus Kupfer mit einer Kupferscheibe 241 verbunden, die an dem Kupferabschnitt 174 des Zylinders 170 befestigt ist. Das Verbindungsstück 240 und die Scheibe 241 haben somit die gleiche Funktion wie das Kupferband 166 bei der Ausführungsform nach Fig. 10.

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Das Gehäuse 214 für die spektroskopische Probe weist einen zylindrischen Abschnitt 242 auf, der den gleichen Durchmesser wie der äußere Zylinder 210 hat und am einen Ende durch ein Endteil 243 verschlossen ist, während für die fluiddichte Verbindung mit dem Zylinder 210 die Flansche 215 und 216 vorgesehen sind. Das Probengehäuse 214 weist wenigstens zwei einander gegenüberliegende Fensterhalter 245 und 246 auf, von denen jeder mit einem Fenster 248, das für die verwendete Strahlung transparent ist, versehen ist, und das durch einen Dichtungsring 249 zwischen einer Kappe 250 und einem Befestigungsteil 251 dicht anliegend gehalten wird.

Die Fig, 14 erläutert eine andere Ausführungsform der Fensterhalter 245 und 246. Bei dieser Anordnung liegt das Fenster 248 innerhalb des Probengehäuses und es wird durch eine Kappe 254 in einem abgesetzten Befestigungsteil 253 mittels eines Dichtungsringes dicht anliegend gehalten. Wie aus Fig. 13 hervorgeht kann die spektroskopisch zu untersuch-ende Probe gegebenenfalls in einem geschlossenen Probenhaifcer 258 mit gegenüberliegenden Fenstern 259 angeordnet werden. Schließlich weist die Vorrichtung nach Fig,Ό eine abgedichtete Anordnung 260 zum Einführen dielektrischen Leitungen auf, die in an sich bekannter Weise ausgebildet sein kann.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 13 ist im wesentlichen die gleiche wie die der Vorrichtung nach Fig. 9. Die Betätigung des thermischen Schalters oder die Anlage der Wärmeleitstation 30 des Kühlaggregates an der Wärmeleitstation 200 in der Arbeitszone erfolgt durch Betätigen des Stößels 180 mittels des verschraubbaren Betätigungsknopfes 237. Der Kryopump-

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Vorgang erfolgt an den Kupferscheiben 165, 241 und an dem Verbindungstück 240 aus Kupfer, ebenso wie an der freiliegenden Fläche des Abschlußteils 176 aus Kupfer. Das grobe Vakuum in den Kammern 225 und 226 wird durch eine mechanische Pumpe hergestellt, die an eine Leitung 161 angeschlossen ist, während ein Ventil 229 geöffnet ist. Dieses letztere Ventil hat die gleiche Punktion wie der Ventilzapfen 157 der Ausfiihrungsform nach Fig.9.

Der in den Fig. 15 und 16 dargestellte thermische Schalter ist im wesentlichen von der gleichen Art wie der bei der Vorrichtung nach Fig. 13 verwendete. Er ist jedoch anders aufgebaut und so ausgelegt, daß die Temperatur des Kühlgutes sehr genau variiert und gesteuert werden kann. Im folgenden werden jene Teile des thermischen Schalbers, die aus einem Metall bestehen, das eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und eine relativ hohe Wärmekapazität bei Tieftemperaturen hat, der Einfachheit halbor als aus Kupfer bestehend bezeichnet. Jedoch sind hierunter auch andere Metalle zu verstehen, die die erwünschten Eigenschaften haben, beispielsweise Silber lüul Aluminium. In ähnlicher Weise sind jene Teile der Vorrichtung, die aus einem Metall bestehen, das eine gerinne \l ^;-inucleitfähigkeit und eine geringe Wärmekapazität hat, ',/-iiiriud os eine ausreichende Festigkeit bei !behält, alt: ^u:> nicht-rostendem Stahl bestehend bezeichnet» Auch hierunter sind andere Metalle iii vorstehen, die α to tu··' forderlichen Eigenschaften besitzen, wio boiS;·! einweise Beryllium—Kupfer, Konstantem, Siliziuiiil-fotiZci laid Legierungen aus Elsen und liickel.

Der thermisch« Schalter nach Fig. 15 waist üin zyilndrlschos Gehäuse 265 auf, das am kühlöndun Endo mittels einer Kupferkappe 266 flu.lddicht abgeschlossen ist. Die Kupferkappe 266 selbst kann eine Wärmeleitstation bilden,

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mit der ein Kühlgut thermisch leitend verbunden wird.

Das zylindrische Gehäuse 265 ist fluiddicht innerhalb eines allgemein mit 267 bezeichneten, geradlinig bewegbaren Mechanismus angeordnet, der nachfolgend im einzelnen beschrieben wird. Das zylindrische Gehäuse weist einen dünnwandigen Abschnitt 268 aus nichtrostendem Stahl auf, der sich in den geradlinig bewegbaren Mechanismus 267 erstreckt, ferner einen ersten dickwandigen Abschnitt 269 aus Kupfer, der thermisch leitend mit der Kühlquelle verbunden ist, einen weiteren dünnwandigen Abschnitt 270 aus nicht/rostendem Stahl und einen zweiten dickwandigen Abschnitt 271 aus Kupfer, der durch die Kupferkappe 266 abgedichtet ist. Ein kompakter Kupferstößel 272, der auf einer Stange 273 aus einem Material geringer Leitfähigkeit, wie nichtrostendem Stahl, Micarta oder Polytetrafluoräthylen befestigt ist, ist verschiebbar in einer Kammer 274 angeordnet, die innerhalb des fluiddichten zylindrischen Gehäuses ausgebildet ist. Das leere Volumen der Kammer 274 ist mit Helium von vorzugsweise etwa einer Atmosphäre oder beispielsweise bis herauf zu etwa fünf Atmosphären gefüllt. Der Ringspalt 275 zwischen dem Stößel 272 und der Innenwand des Gehäuses wird wenigstens auf den dickwandL gen Kupferabschnitten so klein wie möglich gehalten, beispielsweise etwa 0,005 mm. Bei dieser Anordnung bilden der dickwandige Kupferabschnitt 269 und der dickwandige Kupferabschnitt 271 zusammen mit der Kappe 266 Wärmeleitstationen.

Die in Fig. 15 teilweise dargestellte Kühlquelle ist die gleiche wie die der Ausführungsform nach Fig.13. Die Kupferscheibe 165 ist thermisch leitend mit dem

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Ende der Wärmeleitstation 30 verbunden, die durch das Fluid in einer Kühlkammer gekühlt wird, die von der Wärmeleitstation umgeben ist. Mit dem ersten dickwandigen Kupferabschnitt 269 des zylindrischen Gehäuses ist eine Kupferplatte 276 thermisch leitend verbunden. Die Kupferscheibe 165 und" die Platte 276 sind miteinander über eine Indiumbeilagscheibe 277 durch die Kraft einer Schraube 278 thermisch leitend verbunden. Hierdurch wird das letzte thermische Verbindungsglied zwischen dem Kühlaggregat und dem thermischen Schalter ausgebildet.

Obgleich das Gehäuse 265, der Stößel 272 und die Stange 273 als zylindrisch bezeichnet und in den Figuren mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt sind, ist dieser Ausdruck zylindrisch im weitesten Sinne zu verstehen, so daß Gehäuse und Stangen beliebiger Querschnitts formen eingeschlossen werden, beispielsweise oval, dreieckig, quadratisch oder polygonal.

Der thermische Schalter nach Fig. 15 ist so ausgelegt, daß man die Temperatur des Kühlgutes, das auf der als Wärmeleitst'ation für das Kühlgut dienenden Kappe 266 angeordnet wird, variieren und sehr genau steuern kann. Dies wiederum erfordert einen sehr genau steuerbaren, geradlinig bewegbaren Mechanismus, von dem eine beispielsweise Ausführungsform in Fig.15 dargestellt ist. Die Stange 273 muß nach oben und unten verschoben werden, wobei die Stellung des Stößels 272 bestimmbar sein muß und seine Stellung zu einer vorbestimmten Kühlguttemperatur für irgend einen Schalter und eine KUhlquelle in Beziehung gesetzt wird. Die Stange 273 (üblicherweise aus Micarta) ist über ein zur Ausrichtung dienendes Teil 279 an einer Betätigungsstange 280 aus nichtrostendem Stahl befestigt, die teilweise

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von dem Gehäuseabschnitt 268 und teilweise von einem Balg 281 umschlossen wird. Der Balg 281 ist an einem oberen zylindrischen Stück 282, durch das de Betätigungsstange 280 verschiebbar ist, und an einem unteren zylindirischen ,Stück 283 fluiddicht befestigt.(Die Ausdrücke oben und unten sind relativ und beziehen sich lediglich auf die Zeichnung. Der thermische Schalter kann in einer 'beliebigen Richtung ausgerichtet werden^ Das zylindrische Stück 282 ist zur Ausbildung einer druckfesten Abdichtung an einem Gewindering 284 befestigt, der wiederum am unteren Ende des Abschnittes 268 aus nicht-rostendem Stahl angeschweißt ist. Der GewinG^ing 284 weist eine Abdichtung, beispielsweise einen O-Ring 285 auf, der eine Bohrung in einer Halterung abdichtet, beispielsweise in der Platte 213 zur Halterung des Kühlaggregats nach Fig. 13 t welche das Volumen, in dem der Schalter selbst angeordnet ist, von dem Volumen isoliert, in dem sich der geradlinig bewegbare Mechanismus 267 befindet. Das untere zylindrische Stück 283 ist an einer.Stange 286 befestigt, die eine Keilnut 287aufweist, in der ein Stift 288 eingreift, der an einem Ring 289 befestigt ist. Dieser Ring 289 wiederum ist an der Außenhülse ■ 290 des geradlinig bewegbaren Mechanismus befestigt. Diese „Hülse. . 290 kann mit einer Markierung versehen sein, beispielsweise auf der Außenseite angebrachten Linien 291 zur Ablesung der Stellung in ⁰K, ähnlich einem Mikrometer. Die Betätigungsstange 280 wird durch Verdrehen eines Betätigungsringes 292 vorgeschoben oder zurückgezogen, der auf seiner Innenwand mit einem Gewinde versehen ist und mit dem unteren Abschnitt 293 der Außehhülse 290 in Eingriff steht. In dem Betätigungsring 292 liegt an einem Bund 295 ein Lagerring 294 an, der an der Stange 286 befestigt ist, so daß

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der Betätigungsring 292 verdreht werden kann, während der in der Keilnut eingreifende Stift eine Verdrehung des Balges 281 verhindert. Zur Abdeckung für den Betätigungsring 292 ist ein Endstück 296 vorgesehen, durch das der Lagerring 29A- an den Bund 295 angedrückt wird. Der mit Helium gefüllte, fluiddichte Bereich wird durch die in dem Balg ausgebildete Kammer 297 begrenzt.

Die Arbeitsweise des Schalters nach Fig. 15 ist im wesentlichen die gleiche wie die der thermischen Schalter nach den Fig. 9, 11 und 13. Durch den Betätigungsring 292 wird der Stößel 272 verschoben, damit das Ausmaß der Kühlung des auf der Kappe 266 angeordneten Kühlgutes und damit dessen Temperatur gesteuert v/erden kann. Das Heliumgas dient dazu, daß eine Leitung quer durch den engen Ringspalt 275 zwischen dem Stößel 272 und den Wärmeleitstationen 269 und 271 aus Kupfer vorhanden ist.

Die Stellung des Betätigungsringes 292 relatrv/zu den Markierungslinien 291 auf der Außenhülse.-- 290 kann für irgendeine Kombination aus Kühlquelle und thermischem Schalter so eingestellt werden, daß die stabilisierte Kühlguttemperatur direkt in ⁰K abgelesen werden kann. Als Beispiel der guten Arbeitsweise des thermischen Schalters nach den Fig. 15 und I6_;sei angeführt, daß bei einer Temperatur von 20⁰K des Fluids in der Kühlkammer im Kühlaggregat 29» das zum Kühlen der Wärmeleitstation 30 verwendet wird, ein Kühlgut bzw. eine Kühllast von einem Watt, die thermisch leitend mit der Kappe 266 verbunden ist, auf 22⁰K abgekühlt v/erden kann. In Abhängigkeit von dem Kühlgut und der Kühlquelle ist es möglich, eine Kühlung über einen Bereich von etwa 15 bis 200⁰K zu erreichen.

Die in den Fig. 17 und 18 dargestellte Vorrichtung

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weist eine Kammer mit einer Arbeitszone auf, die dauernd an der Hilfskammer befestigt ist, die jedoch entweder auf der Oberseite oder am Ende geöffnet werden kann, damit die Arbeitszone leicht zugänglich ist. Das fluiddichte Gehäuse umfaßt einen zylindrischen Hauptabschnitt 300 sowie einen daran angebrachten zylindrischen Abschnitt 301 der die eigentliche Arbeitszone bildet. Der zylindrische Hauptabschnitt 300 ist am einen Ende durch einen Flansch 302 und einen Dichtungsring 303 an der für die Halterung des Kühlaggregats vorgesehenen Platte 213 und am anderen Ende durch eine abnehmbare Platte 304 abgedichtet, die mittels Schraubenbolzen 307 über einen Dichtungsring 305 an einem innenliegenden Ring 306 dicht anliegend befestigt ist. Der zweite zylindrische Abschnitt 301 ist am Oberteil durch einen abnehmbaren Deckel 308 geschlossen, der mittels Schraubenbolzen

311 über einen Dichtungsring 309 an einem nachaißen ragenden Flansch 310 dicht anliegend befestigt ist. Die evakuierbare Kammer 312 mit der Arbeitszone ist von der evakuierbaren Kammer 313, in die sich das Kühlaggregat erstreckt, durch eine relativ dicke Wand 314 mit einer Öffnung 315 getrennt, durch welche sich der Zylinder 170 von der Kammer 313 in die Kammer

312 erstreckt. Über der Öffnung ist zur Halterung des Zylinders 170 ein Ring 316 aus nichtsrostendem Stahl angeordnet, der eine Halterung für einen dünnwandigen Balg 317 aus nichtrostendem Stahl bildet. Das andere Ende dieses Balges ist ai einem Kupferring 318 befestigt, der an dem Abschlußteil 176 angebracht ist. Der Balg 317 schließt die Öffnung 315 fluiddicht ab, so daß sich ,das kalte Ende des Zylinders 170 durch die Flexibilität des Balges aufgrund thermischer Expansion und Kontraktion frei bewegen kann. Ferner bildet dieser Balg eine erheblich verlängerte Wärmeflußbahn zur Isolierung der kalten Wärmeleitstation

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in Form einer Kupfer-kappe 319 von der relativ warmen

^ and 314 und von dem Gehäuse, in dem diese Wand befestigt

Die Einrichtung zur Steuerung der Temperatur der Wärmeleitstation 319 ist die gleiche wie die in der Vorrichtung nach Fig. 13, mit der Ausnahme, daß ein direkter thermisch leitender Kontakt zwischen den beiden Kupferscheiben und 241 vorhanden ist, die auch als Kryopumpflächen dienen.

Wie die Ansicht nach Fig. 18 zeigt, weist der zweite zylindrische Abschnitt 301 zwei einander gegenüberliegende Fensterhalterungen 320 und 321 auf, welche ebenso wie die in den Fig. 13 oder 14 dargestellten ausgebildet sein können. Durch Schrauben 322 in Ansätzen 323 kann ggfs. eine Halterung für die Vorrichtung vorgesehen werden. Ein Fenster kann auch imDeckel 308 oder an einer anderen Stelle des Gehäuses angeordnet werden, damit die Vorrichtung für das jeweils verwendete optische System geeignet ist.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach den Fig. 17 und 18' ist die gleiche wie die der Vorrichtung nach Fig. 13.

Unter bestimmten Umständen kann es nicht erforderlich sein, das Kühlgut in einer mit Vakuum isolierten Umgebung anzuordnen. Beispielsweise kann bei der Vorrichtung nach Fig. 9 der Ventilzapfen 157 in seine Schließstellung verschoben oder die Öffnung 156 und der Ventilzapfen 157 weggelassen werden, worauf der obere Teil 136 des Gehäuseabschnitts 135 abgehoben werden kann. Hierdurch wird das Kühlgut Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Andererseits kann auch um das Kühlgut ein geeignetes Schutzschild angeordnet werden, das keine evakuierbare Kammer bildet.

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Bei bestimmten Verwendungszwecken ist es nicht erforderlich, daß durch den thermischen Schalter die Temperatur des Kühlgutes über einen bestimmten Bereich variiert wird, vielmehr braucht er lediglich ein- und ausgeschaltet zu werden. Für solche Anwendungsfälle kann der Schalter eine einfache Einrichtung zum Verschieben des Kupferstößels zwischen zwei Endstellungen aufweisen. Eine derartige Einrichtung mit Magnetbetätigung ist schematisch in Fig. 19 dargestellt, wobei für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 15 verwendet sind. Nach Fig. 19 ist das normalerweise, vorgesehene Gehäuse aus · nichtrostendem Stahl (z.B. das Bauteil 268 in Fig. 15) durch ein nicht magnetisches Mantelrohr 325 ersetzt, das unten durch eine Abdeckung 326 abgedichtet ist. Um das Mantelrohr 325 sind zwei Spulen

327 und 328 in einem Abstand voneinander angeordnet, der im wesentlichen dem Abstand zwischen den beiden dickwandigen Kupferabschnitten 269 und 271 entspricht. Jede Spule ist in einer geeigneten Umhüllung 329 bzw. 330 angeordnet und über Leitungen 332, 333 bzw. 334, 335 bei 331 an das Netz angeschlossen. Durch einen Dreiwegschalter 336 kann die Spule 327 oder

328 abwechselnd an das Netz angeschlossen werden, damit die Stange 273, an derem Ende ein Stück 337 aus magnetischem Material befestigt ist, zum Abschalten des thermischen Schalters in ihre unterste Stellung verschoben oder zum Einschalten des thermischen Schalters in dem durch die Spule 328 erzeugten Magnetfeld in die obere Stellung verschoben wir'd.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann irgendein geeignetes Tieftemperatur-Kältesystem verwendet werden, mit dem eine Wärmeleitstation gekühlt werden kann. So können beispielsweise mechanische Tieftemperatur- Kältemaschinen auf der Basis des Stirling-Kreislaufs

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(US-Patentschrift 2 657 553), des Vuilleumier-Kreislaufs (US-Patentschrift 1 275 507), des modifizierten Taconis-Kreislaufs (US-Patentschrift 2 567 454) oder auf der Basis irgendeines anderen geeigneten Kreislaufs in einer der beschriebenen Vorrichtungen verwendet werden. Ebenso ist bei diesen Ausführungsformen das kryogene System nach Fig. 3 anwendbar. Die die Wärmeflußbahn bildende Einrichtung kann ebenso wie die Betätigungseinrichtung in vielfältiger Weise ausgestaltet werden, die elektrisch, magnetisch, mechanisch usw. ausgebildet sein kann. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann jede Ausführungsform mit zwei oder mehreren Wärmeleitstationen in der Arbeitszone versehen werden. Obgleich das Gehäuse allgemein als zylindrisch bezeichnet wurde, kann es jede beliebige Querschnittsform haben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist - wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht -relativ einfach aufgebaut und leicht zu bedienen. Zur Bestimmung der Temperatur des Kühlgutes in der Arbeitszone können einfache Markierungen an der Betätigungseinrichtung vorgesehen werden. Durch das in den beiden Kammern vorhandene, isolierende Vakuum kann ein Kühlgut bzw. eine Kühllast bei geringem Verlust an Kältekapazität der Kühleinrichtung an die nicht gekühlten Teile der Vorrichtung oder an die Umgebung sehr schnell abgekühlt werden.Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Kühlquelle dauernd mit kontinuierlicher thermischer Trägheit in ihrer getrennten evakuierten Kammer kalt bleibt. Es ist lediglich notwendig, diese Kühlquelle durch einen geeigneten thermischen Schalter oder durdh ein thermisch leitendes Verbindungsglied mit variabler Leitfähigkeit, das als thermischer Schalter dient, an das Kühlgut anzuschließen.

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Claims (25)

1. Patentansprüche

   Vorrichtung zur Ausbildung einer Arbeitszone, in der ein Kühlgut auf einer vorbestimmten steuerbaren Tieftemperatur in mit Vakuum isolierter Umgebung gehalten werden kann, gekennzeichnet durch ein fluiddichtes Gehäuse (20) mit einer Innenwand (24), die eine erste evakuierbare Kammer (22) mit einer Arbeitszone und eine zweite evakuierbare Kammer (25) bildet, durch eine Wärmeleitstation (38) für das Kühlgut, die in der ersten evakuierbaren Kammer angeordnet ist und das Kühlgut (39) kühlt, und durch eine kryogene Kühleinrichtung (26), die sich in die zweite evakuierbare. Kammer\streckt und eine Wärmeleitstation (30) für das Kühlgerät aufweist, ferner durch eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der ersten und zweiten Kammer und durch einen thermischen Schalter (40, 44), der die Innenwand durchsetzt und in thermisch leitendem Kontakt mit derjwärmeleitstation (30) des Kühlgerätes steht sowie - an der Wärmeleitstation (38) für das

   "tlis 3?nii s el·}-Kühlgut steuerbarVzur Anlage bringbar ist, und durch ein mit dieser in thermisch leitendem Kontakt stehendes Kühlgut sowie eine Betätigungseinrichtung (43) für die gesteuerte thermische Anlage des thermischen Schalters an der Wärmeleitstation für das Kühlgut.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fluiddichte Gehäuse Fenster (245, 246; 320, 321) aufweist, die so angeordnet sind, daß eine Strahlung durch diese die Arbeitszone erreicht.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Innenwand über die gesamte Querschnitts-

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   fläche des Gehäuses erstreckt und mit einer Einrichtung (153) versehen ist, welche die Wärmeflußbahn um den thermischen Schalter an der Stelle, an der er diese Wand durchsetzt, verlängert.
4. 4· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (220) die gleiche Querschnittsgestalt wie das Gehäuse (210) hat, konzentrisch in diesem zur Ausbildung eines Zwischenraumes (222) zwischen dieser und der Innenwand des Gehäuses angeordnet und quer zu diesem Zwischenraum an einem Ende- an diesem Gehäuse befestigt ist, wobei am anderen Ende ein Endteil (221) vorgesehen ist, durch das der thermische Schalter geführt ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und zweiten evakuierbaren Kammer (137, 139; 225, 226) eine mit einem Steuerventil versehene Fluidverbindung (156, 228) vorgesehen ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet,

   daß die mit einem Steuerventil versehene Fluidverbindung eine Öffnung (156) in der Innenwand (145) sowie einen in dieser Öffnung verschiebbaren Ventilzapfen (157) umfaßt.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitstation für das Kühlgut eine ebene Fläche aufweist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiäinet, daß die . Wärmeleitstation für das Kühlgut ein Rohrstück (58) aufweist, durch das eine kryogene Flüssigkeit zirkuliert.

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9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitstation für das Kühlgut eine für die Anlage am Kühlgut vorgesehene Schraube (38, 112, 200) aufweist,
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitstation für das Kühlgut mehrere getrennte Wärmeleitstationen (86, 87) aufweist, die getrennt und steuerbar thermisch leitend an der Wärmeleitstation (30) des Kühlgerätes zur Anlage bringbar sind.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgut ein Kryopanel (39) mit geringer thermischer Masse ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgut ein elektronisches Bauelement (201) ist.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgut eine .spektrografische Probe ist. ·
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kryogene Kühleinrichtung eine mechanische Tieftemperatur-Kältemaschine (26) aufweist.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kryogene Kühleinrichtung eine Einrichtung zur Lieferung einer kryogenen Flüssigkeit aufweist.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumpumpe eine mechanische Pumpe,eine Kryopumpeinrichtung oder eine Kombination von beiden aufweist.

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17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Schalter mit einem flexiblen Kupferstreifen (40) versehen ist, der an der Wärmeleitstation (36, 38) für das Kühlgut zur Anlage bringbar und von dieser lösbar ist.
18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Schalter einen Kupferstreifen (113) aufweist, der an der Wärmeleitstation (30) des Kühlgerätes befestigt ist, ferner einen Federteller (114), der in thermisch leitendem Kontakt mit diesem Kupferstreifen steht, eine Spiralfeder (116), die an diesem Federteller befestigt ist, und eine Kupferscheibe.(111), an der die Wärmeleitstation für das Kühlgut befestigt ist, wobei die Betätigungseinrichtung eine Einrichtung (115) zum Verschieben des Federtellers aufweist, damit eine einstellbare Anzahl von Windungen der Feder mit dieser Scheibe in Kontakt bringbar ist.
19. 19t Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Schalter eine geschlossene Röhre (120) für die Zirkulation von unter Druck stehendem Helium und eine Pumpe (122) aufweist, welche das Helium durch diese mit variablem Durchsatz in Umlauf versetzt, wobei die Betätigungseinrichtung eine Einrichtung zur Steuerung der Drehzahl oder Arbeitsgeschwindigkeit dieser Pumpe aufweist.
20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Schalter ein fluiddichtes, zylindrisches Schaltergehäuse (170, 265) aufweist, dessen Viand abwechselnd aus relativ dickwandigen Abschnitten aus einem ersten Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen Wärmekapazität bei Tieftemperaturen und aus relativ dünnwandigen

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    Abschnitten aus einem zweiten Material mit einer relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer geringen Wärmekapazität bei Tieftemperaturen ausgebildet ist, wobei dies.es Gehäuse mit einem dieser dickwandigen Abschnitte (176, 271) endigt, der durch ein Endteil (177, 266) aus diesem ersten Material abgedichtet ist, das als Wärmeleitstation für das Kühlgut dient, ferner einen in diesem zylindrischen Schaltergehäuse verschiebbaren . Stößel (180, 272), der aus einem Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen Wärmekapazität bei Tieftemperaturen besteht ' _:und mit der Innenwand dieses Gehäuses einen engen Ringspalt bildet, wobei das leere Volumen in diesem Schaltergehäuse mit Helium gefüllt ist, weiterhin eine Einrichtung (1911 292) zum Verschieben dieses Stößels in dem Schaltergehäuse und eine thermische Verbindungseinrichtung (166, 276),welche die kryogene Kühleinrichtung (29) thermisch leitend mit dem dickwandigen Abschnitt verbindet, der am weitesten von dem dickwandigen Abschnitt entfernt ist, der mit einem Endteil abgedichtet ist.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Schalter wenigstens drei dickwandige Abschnitte (172, 174, 176) aufweist, wobei die Abschnitte zwischen dem dickwandigen, mit dem Endteil (177) abgedichteten Abschnitt und dem dickwandigen Abschnitt, der am Weitesten von diesem entfernt liegt, eine Einrichtung (166) aufweisen, die eine thermisch leitende Verbindung zwischen diesen und dem Kühlgut oder den Kühlgütern herstellt.

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22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verschieben des Stößels in dem thermischen Schalter einen Balg (281) aufweist, der an dem Schaltergehäuse (265) befestigt ist und einen Teil von diesem bildet, ferner eine Betätigungsstange (280),^v die an diesem Stößel (272) befestigt und in axialer Ausrichtung mit diesem innerhalb des Schaltergehäuses angeordnet ist, sowie eine Einrichtung (292), die außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und diese Betätigungsstange geradlinig verschiebt sowie den Balg zusammendrückt und ausdehnt.
23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für die geradlinige Verschiebebewegung der Betätigungsstange in dem thermischen Schalter eine den Balg (281) umgebende, mit Markierungen versehene Hülse (290), einen verdrehbaren Betätigungsknopf oder -ring (292) für die lineare Verschiebebewegung längs dieser Hülse und eine mechanische Verbindungseinrichtung (294, 295) aufweist, welche diesen Betätigungsring mit der Betätigungsstange und dem Balg verbindet, wobei eine Einrichtung (287, 288) vorgesehen ist, die ein. Verdrehen des Balges während des Verdrehens des Betätigungsringes verhindert.
24. 24. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verschieben des Stößels in dem thermischen Schalter eine am einen Ende des Stößels (180) befestigte Zahnstange (181), ein mit dieser in Eingriffsbehendes Ritzel (182) und eine Einrichtung (191, 192) zum Verdrehen dieses Ritzels aufweist.

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25. 25. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zwei dickwandige Abschnitte (269, 271) am Schaltergehäuse vorgesehen sind und die Einrichtung zum Verschieben des Stößels in dem thermischen Schalter ein nicht magnetisches Mantelrohr (325), das eine Verlängerung des Schaltergehäuses bildet, sowie eine erste und zweite Spule (327, 328) zur Erzeugung eines ersten und zweiten Magnetfeldes aufweist, wobei diese Spulen das Mantelrohr umgeben und in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der im wesentlichen gleich der Abmessung des dünnwandigen Abschnitts (270) des Schaltergehäuses ist, der diese dickwandigen Abschnitte voneinander trennt, ferner eine an dem Stößel befestigte und mit diesem axjal ausgerichtete Betätigungsstange (273), eine an dieser angebrachte magnetische Masse (337) und eine Einrichtung (336) zum wahlweisen Erregen der ersten oder zweiten Spule und zur Anordnung dieser magnetischen Masse im ersten oder zweiten Magnetfeld und damit zur Anordnung des Stößels innerhalb des einen oder des anderen dickwandigen Abschnitts.

    26, Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Verbindungseinrichtung eine Kupferplatte (276) auf v/eist, die thermisch leitend mit dem dickwandigen Abschnitt des thermischen Schalters verbunden ist, wobei eine Einrichtung (277, 278) zur Ausbildung einer thermisch leitenden Verbindung zwischen dieser Platte und der Wärmeleitstation(30) des Kühlgerätes vorgesehen ist.

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