DE2409933A1 - Kryostat - Google Patents

Description

• Kryostat Manche Halbleitereinrichtungen, wie Gammastrahlungsdetektoren, die einen lithiumdotierten Germaniumeinkristall enthalten, müssen ständig auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs ge-Kühlt werden. Abgesehen von kleinen Detektoren, die vakuumdicht verkapselt werden. oder solellen, die über einen mit ihnen verbundenen Kühlfinger gekühlt werden können, werden solche Detektoren bisher durch Kryostaten gekühlt, bei denen ein Dewargefäß für den flüssigen Stickstoff und ein evakuiertes Gehäuse, in dem sich die Halterung für den Detektor befindet, eine mechanische Einheit bildete. Es war bisher also nicht möglich, den Detektor vom Dewargefäß zu entfernen. rür den Hersteller solcher Ge(ii)-Detektoren e-gab sich damit die Notwendigkeit, jeden neu hergestellten Detektor in einen solchen Kryostaten mit Dewargefäß einumbauen, aus den er unbeschade-t nicht wieder ausgebaut werden konnte. Die Kosten für die Lagerhaltung der Kryostaten und den Verbrauch an flüssigem Stickstoff waren dementsprechend hoch.
• Beim Käufer der Detektoren traten ähnliche Probleme auf. Außerdem ergab sich auf der Anwenderseite der Nachteil, daß die bekannten Kryostaten unhandlich groß und schwer sind und die Anordnung eines Detektors in einer durch die Anwendung bestinmter. Lage oft einen erheblichen Aufwand erforderte.
• Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die aufgabe zugrunde, einen Kryostaten anzugeben, der einfacher und preiswerter im Aufbau ist, eine einfachere Manipulation des gekühlten Gegenstandes zuläßt und den gekiihlten Gegenstand leicht in eine gewünschte Lage zu bringen erlaubt.
• Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete erfindung gelöst.
• Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
• Bei dem Kryostaten gemäß der Erfindung ist die Halterung .r den zu kühlenden Gegenstand von einer eigenen Vakuumkammer umgeben, die getrennt evakuierbar und vakuumdicht verschließbar ist und leicht vom übrigen Teil des Kryostaten gelöst werden kann. Der Produzent von zu kühlenden Einrichtungen, wie den erwähnten Ge(Li)-Gammastrahlungsdetektoren, kann die Kammer während der Lagerzeit an ein zentrales Kühlsystem anschließen. Während des Transports zum Abnehmer kann sie an eine transportable Kühleinrichtung angeschlossen werden und der Benutzer kann die Kammer dann über Wärmeleiter, die der jeweiligen Anwendung angepaßt sind, an ein ihm zur Verfügung stehendes Kühlsystem anschließen. Bei Bedarf ist ein einfacher Austausch von Detektoren möglich. Eine gemeinsame Kühlung mehrerer Detektoren mittels eines einzigen Kühlsystems ist auch beim Anwender möglich. Bei Verwendung einer flexiblen Wärmeleitung kann die Kammer mit dem in ihr enthaltenen Detektor leicht in jede gewünschte Lage gebracht werden. Veränderungen am Kühlsystem sind ohne Beschädigung des Detektors möglich.
• Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen: Figur 1, 2 und 3 Teile eines Kryostaten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und Figur 4, 5 und 6 schematische Darstellungen verschiedener Verwendungsmöglichkeiten von Kryostaten gemäß der Erfindung.
• Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Kryostat enthält eine Halterung 10 für einen zu kühlenden Gegenstand, z.B. einen Ge(li)-Gammastrahlungsdetektor (nicht dargestellt), für dessen Befestigung Gewindelöch>.12 vorgesehen sind. Die Halterung 10 besteht aus einem massiven Messingdrehteil in Form eines tiefen Bechers, der an seinem offenen Ende einen radial vorspringenden Flansch 14 hat. Im Inneren der oialtcrung 10 kann ein Sorptionsmittel 16 untergebracht werden.
• Die Halterung 10 ist in einer cvaltuicrbaren Kammer 18 angeordnet, die von einer zylindrischen Außellwand 20, einem von deren einem Ende ins Innere der Kammer reichenden rohrförmigen Teil 22 und einem Deckel 24 begrenzt ist, welcher mittels einer Flanschverbindung 26 vakuumdicht und lösbar mit der Außenwand 20 verbunden werden kann. Die Außenwand 20 und das rohrförmige Teil 22 bestehen aus dünnwandigen Edelstahlrohren niedriger Wärmeleitfähigkeit. Der Deckel 24 ist ein dünnwandiges, becherförmiges Bauteil aus Aluminium, das für die durch den Detektor nachzuweisende Gammastrahlung weitestgehend durchlässig ist.
• An der Außenwand 20 ist ein Anschlußstutzen 28 angebracht, an den eine nur schematisch angedeutete Evakuierungsleitung 30 mit einem Absperrventil 32 vakuumdicht verbunden ist, so daß die Kammer 18 durch Anschluß der Evakuierungsleitung 30 an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe für sich alleine evakuiert, mittels des Absperrventils 32 vakuumdicht verschlossen und dann von der Vakuumpumpe abgetrennt werden kann.
• In die Außenwand 20 ist außerdem eine vakuumdichte Durchführung 34 für eine Anzahl elektrischer Leitungen eingebaut, über die der auf der Halterung 10 befestigte Halbleiterdetektor oder dergl. mit einer äußeren Schaltungsanordnung verbunden werden kann.
• Die Halterung 10 ist an der Außenseite ihres Bodens mit einem Gewinde zapfen 36 versehen, auf den ein erstes Teil 38a einer Wärmeleitung aufgeschraubt ist, die die Halterung 10 mit einer Kühlvorrichtung verbindet und Wärme von der Halterung zur Kühlvorrichtung leitet. Der Teil 38a der Wärmeleitung besteht aus einem massiven Kupferstab, der am einen Ende ein auf den Gewinde zapfen 36 passendes Innengewinde und am anderen Ende ein Eupplungsteil 40a einer Konus-Steckkupplung aufweist. Das Kupplungsteil 40a hat einen Längsschlitz 42 und ist mittels einer Schraube 44 oder anderen Spannvorrichtung zusammenziehbar. Das Stück des Teiles 38a-der Wärmeleitung, das aus dem in die Kammer 18 einsprlngenden rorhförmigen Teil 22 herausragt, ist voll einem Vakuumrelir 46 umgeben, das einen Teil eines evakuierbaron Gehäuses fiir die Wärmeleitung bildet, in einem genormten Anschlußflansch 48 endet und einen seitlichen Anschlußstutzen 50 aw feist, durch den die Schraube 44 zugänglich ist. Der Anschlußstutzen 50 dient ähnlich wie der Anschlußstutzen 28 zum Anschluß einer ein Absperrventil enthaltenden Evakuierungsleitung (nicht dargestellt), die an eine Vakuumpumpe anschließbar ist.
• Das Kupplungsteil 40a kann direkt oder über ein oder mehrere Zwischenstücke (die beispielsweise gemäß Figur 2 ausgebildet sein können) mit einem Endstück 52 (Figur 3) der Wärmeleitung, das mit einem Rührfinger endet, verbunden werden oder an irgendeine andere Kühlvorrichtung, z.B. eine zentrale Kühlanlage eines Herstellers von Halbleiterdetektoren, angeschlossen werden.
• Der Anschluß erfolgt dabei sowohl an das Kupplungsteil 40a als auch an den Anschlußflansch 48.
• In Figur 2 ist ein biegsames und bis zu einem gewissen Grade verdrehbares Zwischenstück 54 dargestellt. Das Zwischenstück 54 enthält einen Teil der Wärmeleitung, der hier aus einer massiven, flexiblen Kupferlitze 56 besteht, deren Enden mit einem Kupplungsteil 40b, das zum Kupplungsteil 40a komplementär ist, und einem dem Kupplungsteil 40a entsprechenden Kupplungsteil40c verbunden sind. Die Wärmeleitung ist von einem vakuumdichten, rohrförmigen Gehäuse umgeben, das aus einem hochflexiblen Balgen oder Netallschlauch 58 besteht, dessen Enden mit genormten Anschlußflanschen 48' versehen sind, die zu dem Anschlußflansch 48 in Figur 1 passen.
• Das Kupplungsteil 40b besteht aus einem geschlitzten Konus aus Kupfer, der in das buchsenförmige Kupplungsteil 40a paßt. Die Kupferlitze 56 ist durch ringförmige Abstandshalter 60 geringer Wärmeleitfähigkeit, die z.B. aus PVC bestehen können, koaxial im Metallschlauch 58 gehaltert. Das Kupplungsteil 40c ist wieder mit einer Schraube 44' oder einer entsprechenden Klemmvorrichtung versehen, die durch*Zusammendrücken des Netallschlauches 58 zugänglich gemacht werden kann.
• *Herausziehen der Kupferlitze 56 oder durch Das in Figur 3 dargestellte Endstitck enthält einen aus einem massiven Kupferstab 62 bestehenden Teil det Wärmeleitung, der am einem Ende ein Kupplungsteil 40d (entsprechend dem Kupplungsteil 40b) und am anderen Ende ein Gewinde 64 zum Anschrauben einer Verlängerung 66 aufweistt, die hier aus einer massiven Kupferlitze besteht und in ein Kühlmittelbad, z.B. flüssigen Stickstoff, eingetaucht werden kann. Der Kupferstab 62 ist bis auf die Enden von einem rohrförmigen, vakuumdichten Gehäuse 68, z.B. aus dünnwandigem Edelstahlblech, umgeben, das an dem dem Kupplungsteil 40d benachbarten Ende einen genormten Anschlußflansch 48d aufweist und am anderen Ende vakuumdicht mit dem Kupferstab 62 verbunden ist. Zwischen dem verschlossenen Ende und der Flansch 48d ist das Gehäuse 68 mit einem weiteren Flansch 70 versehen, mit dem es z.B. anein Dewar-Gefäß angeflanscht werden kann. In diesem Flansch können ein Einfüllstutzen für den flüssigen Stickstoff und eine Öffnung fitr den entweichenden gasförmigen Stickstoff angebracht sein.
• Im unteren Teil des Gehäuses 68 kann wieder ein Sorptionsmittel 16', z.B. ein Molekularsieb, angeordnet sein.
• Zwischen den verschiedenen Teilen der Wärmeleitung und der Wand des sie umgebenden vakuumdichten Gefässes kann eine Superisolation aus mit Metall bedampfter Kunststoffolie angeordnet sein.
• Anstelle der dargestellten steckbaren Konuskupplungen können selbstverständlich auch andere Kupplungsanordnungen, z.B. Schraubkupplungen und dergl. verwendet werden.
• Bei der erläuterten Ausführungsförm gemäß Figur 1 bis 3 erfolgt die Evakuierung des ganzen Gehäuses, das die Wärmeleitung 38a-56-62 umgibt, durch den Anschlußstutzen 50 am Xopfteil des Kryostaten.
• Bei einer praktischen Ausführungsform des erläuterten Ausführungsbeispieles hatten die Teile 38a und 62 der Wärmeleitung einen Durchmesser von 20 mm und die Kupferlitze 56 hatte einen Durchmesser von etwa 17 mm.
• Figur 4 zeigt zwei Krycstaten der erläuterten Art, die jeteils aus einem Kopfstück gemaß Figur 1 und einem Endstück gemäß Figur 3 zusammengesetzt und in ein im Schnitt dargestelltes, mit flüssigem StIckstoff gefülltes Dewar-Gefäß 70 eingesetzt sind.
• Figur 5 zeigt einel Kryostaten aus einem Kopfstück gemäß Figur 1, einem biegsamen Zwischenstück gemäß Figur 2 und einem Endstück gemäß Figur 3, der in ein Dewar-Gefäß eingesetzt ist.
• Das Kopfstück mit einem in ihm enthaltenen, gekühlten Gegenstand, z.B. einem Gammastrahlungsdetektor, ist wegen des biegsamen Zwischenstückes schwenkbar und außerdem um seine Achse drehbar, da der Flansch 70 des Endstückes drehbar auf dem entsprechenden Flansch des Dewar-Gefäßes aufliegt.
• Figur 6 zeigt eine Figur 5 entsprechende Anordnung bei Verwendung mit einem Kühimittelbehälter 70', bei dem der Anschlußflansch für den Kryostaten am unteren Ende der Seitenwand angeordnet ist. Zur Verbindung zwischen dem Flansch 70 des in Figur 3 dargestellten Endstückes des Kryostaten und dem Anschlußflansch des KühlmittelbehäLters 70' dient ein Zwischenstück 72.

Claims (10)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Kryostat mit einer Halterung für einen zu kühlenden Ge-Gegenstand, einem Wärmeleiter, der von der Halterung zu einem durch eine Isühlvorrichtung lsihlbaren Endstück führt, und einem evakuierbaren Gehäuse, das die Halterung-und zumindest den an die Halterung anschließenden Teil des Wärmeleiters einschließt, d a d u r c ii g e k e n n z e i c h n e t , daß die Halterung (10) in einer eigenen, getrennt evakuierbaren Kammer (18) mit einem vakuumdicht schließenden, lösbaren Deckel (24) und eigenem, verschließbaren rumpstutzen (28) untergebracht ist und daß der Wärmeleiter (38a, 56, 62) sowie der ihn umgebende Teil (46, 58, 68) des evakuierbaren Gehäuses zwischen der Halterung (10) und dem Endstück des Wärmeleiters jeweils mindestens eine leicht lösbare Kupplungsanordnung (40a, 48) enthalten.

2. Kryostat nach Anspruch --1-, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß die Kupplungsanordnung des Wärmeleiters eine Konuskupplung (40a, 40b) enthält.

3. Kryostat nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß die Kupplungsanordnung des evakuierbaren Gehäuses eine Flanschkupplung (48, 48') enthält.

4. Kryostat nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wand der Kammer (18) einen in deren Inneres vorspringenden, rohrartigen Teil (22) enthält, an dessen innerem Ende die Halterung (10) angebracht ist.

5. Kryostat nach Anspruch 4, d a du r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der rohrartige Teil (22) der Wand eine in einem Anschlußflansch (48) endende, äußere Verlängerung (46) hat, die mit einem Pumpstutzen (50) versehen ist.

6. Kryostat nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Halterung (10) im Inneren des rohrartigen Teiles (22) mit einem Stab (38a) aus gut wärmeleitendem Material verbunden ist, der einen Teil des Wärmeleiters bildet, in die äußere Verlängering (46) reicht und dort in einem Euppllungsstüc' (40a) endet, das ein durch den Pumpstutzen (50) zugängliches Verriegelungselement (44) aufweist.

7. Kryostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z ei c h n e t , daß der Wärmeleiter ein aus einer massiven Kupferlitze (56) bestehendes Stück enthält, welches an seinen Enden mit Kupplungsstücken (40b, 40c) versehen ist; und daß die Kupferlitze (56) durch Abstandshalter (ovo) niedriger Wärmeleitfähigkeit in einem biegsamen, vakuumdichten Wellrohr (58) gehaltert ist, dessen Enden mit Kupplunbsstücken (48') zum vakuumdichten Anschluß an andere Teile des Gehauses versehen sind.

8. Kryostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Halterung (10) becherartig geformt ist und eine zum Inneren der Kammer (18) hin offene Vertiefung zur Aufnahme eines Sorptionsmittels hat.

9. Kryostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -dur c h g e k e n n z e i c h ne t , daß die Wand (20) der Kammer (18) mit vakuumdichten Durchführungen (34) für elektrische Leitungen versehen ist.

10. Kryostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem Wärmeleiter und dem ihn umgebenden Gehäuse eine Superisolation aus mit Metall bedampften Kunststoffolien angeordnet ist.

L e e r s e i t e