DE2423301C2

DE2423301C2 - Vorrichtung zur erschütterungsfreien Übertragung von Kälte

Info

Publication number: DE2423301C2
Application number: DE2423301A
Authority: DE
Inventors: Ralph C. Allentown Pa. Longsworth
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1973-06-08
Filing date: 1974-05-14
Publication date: 1985-07-18
Also published as: DE2423301A1; JPS6145177B2; JPS5059087A; GB1472183A; US3894403A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur erschütterungsfreien Übertragung von in einer Kälteanlage erzeugten Kälte auf ein zu kühlendes, auf einer Objekthalterung befindliches Objekt mit Hilfe eines in der Kälteanlage gekühlten und im Kreislauf geführten gasförmigen Fluids, wobei die kälteste Stufe der Kälteanlage «:nd die Objekthalterung innerhalb eines gasdichten Mantels angeordnet sind.

Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, Kälte von einer Kältequelle auf ein zu kühlendes Objekt zu übertragen, ohne dabei gleichzeitig auch Vibrationskräfte von der Kältequelle auf das zu kühlende Objekt zu übertragen. Die Notwendigkeit einer solchen erschütterungsfreien Übertragung von Kälte ergibt sich beispielsweise bei der Kühlung von Proben, die mit Hilfe der Emissions- und Absorptionsspektroskopie untersucht werden sollen. Ein Zweig der Spektroskopie, für den diese Art der Kälteübertragung absolut entscheidend ist, ist der, der als »Mössbauerspektroskopie« bekannt ist Ende der fünfziger Jahre entdeckte Rudolf Mössbauer, daß in Festkörpern eingebettete Atomkerne Gammastrahlen niedriger Energie emittieren und absorbieren können, die die natürliche Linienbreite zeigen und die volle Übergangsenergie besitzen. Dabei wird auf die Gitterschwingung keine Rückstoßenergie übertragen. Diese Entdeckung ist als »Mössbauereffekt« bekannt. In diesen Kernen mit niedrigen Debye-Temperaturen ist es erforderlich, den Gammastrahlenemitter und -absorber auf kryogene Temperaturen in der Größenordnung von 10⁰K zu kühlen. Um solche Temperaturen zu erreichen, muß als Kältequelle flüssiges Helium

und/oder flüssiger Stickstoff verwendet werden. Bei

Studien im Anschluß an eine Coulomb-Anregung oder

eine Kernreaktion kann sich die Zeit für einen einzigen

Versuch bis über mehrere Tage erstrecken. Infolgedes-

sen sind die Kosten des flüssigen Heliums und der mit der Aufrechterhaltung eines bestimmten Niveaus von flüssigem Helium erforderliche Laboraufwand für einen einzigen Versuch bedeutend.

In neuerer Zeit ist es bekanntgeworden, zur Kühlung

ίο von Proben für Mössbauerstudien einen geschlossenen Heiiumkreislauf zu verwenden (vgL Y. W. Chow, E. S. Greenbaum, R. H. Howes, F. H. H. Hsu, P. H. Swerdlow und C. S. Wu: »The Use of a Helium Refrigerator for Mössbauer Studies« in »Nuclear Instruments and Me thods« 66 (1968), Seiten 177 bis 180, North-Holland Pu blishing Company). In diesem Artikel ist eine Helium-KDhleinrichtung beschrieben, die mechanisch mit einem Objekthalter gekoppelt ist, der von einem geschlossenen Heliumkreislauf gekühlt wird. Zur Verminderung der Übertragung von Erschütterungen von der Helium-Kühleinrichtung auf den Objekthalter wird dort eine Baigenanordnung verwendet

Diese bekannte Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß sie einen mechanischen Kontakt zwischen der Kühleinrichtung und dem zu kühlenden Objekt benötigt, auch wenn ein solcher Kontakt mit Hilfe von flexiblen geflochtenen Kupferstreifen hergestellt wird, um die Übertragung von Vibrationen von der Kühleinrichtung f. if das zu kühlende Objekt weiter zu vermindern.

Es liegt auf der Hand, daß eine mechanische Verbindung, die zum Zv-'ecke einer guten Wärmeleitung einen genügend großen Querschnitt hat, auch Vibrationen überträgt Aus diesem Grunde stellt die bekannte Vorrichtung einen Kompromiß dar zwischen dem Wunsch, einen möglichst großen Querschnitt für einen guten Wärmeübergang und einen möglichst kleinen Querschnitt zur Verminderung der übertragenen Vibrationen zu haben. Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, eine Vorrichtung zu schaffet, die von den Nach teilen der Vorrichtung des Standes der Technik frei ist und die es gestattet, Kälte von einer Kälteanlage auf ein zu kühlendes Objekt erschütterungsfrei zu übertragen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ende der kältesten Stufe der Kälteanlage einen Wärmeaustauscher zur Kühlung eines weiteren gasförmigen, innerhalb des gasdichten Mantels umgewälzten Fluids aufweist, der in einem räumlichen Abstand ohne mechanische Verhindung zur Objekthalterung angeord net ist.

Bei der Erfindung wird also eine bestimmte Menge eines weiteren fluiden Übertragungsmediums innerhalb des gasdichten Mantels in einer begrenzten Strombahn umgewälzt, die mit der kältesten Stufe der Kälteanlage,

d. h. mit dem kalten Ende des geschlossenen Helium-Kältekreislaufes, in Verbindung steht Erfindungsgemäß wird dieses fluide Übertragungsmedium weiterhin mit dem Objekthalter in Kontakt gebracht, wodurch das Objekt wirksam gekühlt werden kann. Auf diese Weise kann der Objekthalter unabhängig von der Kälteanlage montiert werden, wodurch jeder mechanische Kontakt zwischen der Kältequelle und dem zu kühlenden Objekt vermieden wird.

Die Erfindung ist insbesondere dann mit Vorteil ein-

setzbar, wenn es wie bei der Mössbauer-Soektroskopie darauf ankommt, einen Objekthalter weitgehend erschütterungsfrei zu halten. Die Erfindung sei nunmehr anhand einiger schema-

tisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert Dabei zeigt

Fig. 1 einen teilweise angeschnittenen Aufriß des Apparates der Erfindung;

F i g. 2 einen vergrößert dargestellten Abschnitt längs der Linie 2-2 der F i g. 1;

Fig.3 einen Teil des Apparates der Fig. 1, der aus Gründen der Klarheit vergrößert wurde und eine andere Ausführungsfonn der Erfindung darstellt;

F i g. 4 einen teilweise angeschnittenen Aufriß, der eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellt

Die Erfindung sei nunmehr am Beispiel eines Probenhalters für die Mössbauer-Spektroskopie erläutert

Der Teil der erfindungsgemäßeii Vorrichtung, in dem der Probenhalter für die Mössbauer-Spektroskopie dargestellt ist ist in den F i g. 1 und 2 gezeigt und beinhaltet eine Kälteanlage mit einem in der Kälteanlage gekühlten und im Kreislauf geführten gasförmigen Fluid, im Ausführungsbeispiel Helium, die allgemein mit 10 bezeichnet ist Die Kälteanlage 10 ist zweistufig ausgebildet mit einer ersten Stufe 12 und einer zweiten Stufe 14. Eine derartige Kälteanlage gestattet es, am untren Ende der zweiten Stufe (kälteste Stufe der Kälteanlage) und am Verlängerungsstück 16 Temperaturen von 10° K zu erzeugen. Das Verlängerungsstück 16 besteht üblicherweise aus einem gut wärmeleitenden Material, wie z. B. Kupfer.

Die Kälteanlage 10 ist in einem Haltering 18 befestigt, der seinerseits an einem starren Untergrund, r/ie z. B. dem Laboratoriumsboden, mit Hilfe des Haltelements 20 angebracht ist Die Vorrichtung enthält außerdem einen Probenhalter, der allgemein mit 22 bezeichnet ist und der von einer Halterung 24 getragen ist die ihrerseits mit Hilfe eines Halteelementes 26 an einer optischen Bank befestigt ist. Die zwei Stufen 12 und 14 der Kälteanlage 10 befinden sich innerhalb des Probenhalters 22. Um ein geschlossenes System zu erhalten, ist zwischen der Kälteanlage 10 und dem Probenhalter 22 mit Schlauchklemmen eine flexible, Erschütterungen nicht übertragende Isoliermanschette 28, wie z. B. eine dünnwandige gefaltete Gummimuffe, angebracht.

Der Probenhalter 22 enthält einen äußeren Vakuummante! 30 mit einer geeigneten Absaugöffnung 32, die es gestattet, den vom Vakuummantel 30 und den inneren Systemkomponenten umgrenzten Raum zu evakuieren, wie es nachstehend im einzelnen beschrieben ist Innerhalb des Vakuummantels 30 befindet sich ein inneres Vakuummantelrohr 34 aus rostfreiem Stahl, das die erste Stufe 12 der Kälteanlage umgibt. Am unteren Ende des Mantelrohrs 34 ist ein Strahlungsschirmhalter-Adapter 36 angebracht. Unterhalb des Halteradapters 36 und daran mit Hilfe einer verschraub'.en Verbindung befestigt ist ein Strahlungsschirm 38 für die zweite Stufe. Der Strahlungsschirm 38 kann ein fester Kupferzylinder sein, er kann aber auch, wie heutzutage in kryogenen Einrichtungen allgemein üblich, mit einer aluminierten Kunststoffschicht versehen sein. Innerhalb des Strahlungsschirms 38 und gasdicht am Mantelrohr 34 angebracht befindet sich ein innerer Vakuummantel 40, der die zweite Stufe 14 der Kälteanlage 10 umgibt. Am Boden des inneren Vakuummantels 40 ist ein Objekthalteradapter 42 befestigt, der seinerseits den Objekthalter 44 trägt. Der Objekthalteradapter 42 enthält eine Reihe von vertikalen Passagen 43, deren Funktion im nachfolgenden näliT erläutert wird.

Rund um die erste Stufe 12 der Kälteanlage 10 ist ein Wärmeaustauscher 46 unei rund um das kupferne Verlängerungsstück 16 ein Wärmeaustauscher 48 angeordnet Die Wärmeaustauscher sind in Fig.2 im Querschnitt gezeigt und können beispielsweise aus dünnem Kupferblech angefertigt sein, das mit Hilfe einer Mehrzahl von senkrecht angeordneten Abstandshaltern 49 etwa zylindrisch gewickelt ist, und eine Reihe von senkrecht angeordneten Strombahnen durch die Wärmeaustauscher 46 und 48 bilden. Die Wärmeaustauscher 46 und 48 sind zwar in der Größe verschieden, aber im Aufbau gleich. Wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird, sorgen die Wärmeaustauscher für eine konvektive Zirkulation des weiteren fluiden Übertragungsmediums durch die senkrechten Passagen.

Das System wird durch eine Instrumenteneinführungsöffnung 50 vervollständigt durch die Instrumente zur Temperaturmessung oder dergleichen eingeführt werden können. Außerdem gibt es eine Armatur 52 für die Einführung des weiteren fluiden Übertragungsmediums in den Raum zwischen die Kühlstufen 12 und 14 und die Mantel 34 und 40. Die Armatur 52 enthält unter anderem ein Druckminderventil, um '-r- den nichtevakuierien Räumen einen Druck von einer Atmosphäre des weiteren fluiden Übertragungsmediums aufrechtzuerhalten, öffnungen 54 und 56 gestatten die Zufuhr von Helium zu und die Entfernung von Helium von der Kälteanlage 10. Die Einlaß- und Auslaßleitungen sind mit Hilfe flexibler Leitungen (nicht dargestellt) mit einem Kompressor (nicht dargestellt) verbunden, so daß der Kompressor von der Kälteanlage isoliert sein kann, wodurch die Gefahr, daß Vibrationskräfte, die vom Kompressor ausgehen, auf die Kälteanlage 10 und damit auf den Objekthalter 44 übertragen werden, vermindert wird.

Die Vorrichtung ist nunmehr wie dargestellt zusammengesetzt wobei die flexible Manschette 28 eine gasdichte Verbindung zwischen der Kälteanlage 10 und dem Probenhalter 22 darstellt. Nun wird ein fluides Übertragungsmedium, vorzugsweise Helium, durch die Armatur 52 eingeführt und füllt den Raum zv/ische^ den Stufen 12 und 14 der Kälteanlage 10 und den inneren Mänteln 34, 40 und 42 des Probenhaiters. Die Öffnung 52 iti mit einer Quelle des fluiden Übertragungsmediums verbunden, die einen Druck von einer Atmosphäre aufrechterhält Nun wird die Kälteanlage angeschaltet und erzeugt am unteren Ende der ersten Stufe 12 und der zweiten Stufe 14 Kühlung. Die Kühlung bewirkt, daß das fluide Übertragungsmedium durch Konvektion im wesentlichen senkrecht durch die Wärmeaustauscher 46 und 48 zirkuliert. Am unteren Ende der zweiten Stufe 14 verlängern die Passagen 43 im Objekthalteradapter 42 den Zirkulationsweg des weiteren fluiden Übertragungsmediums und bewirken dabei einen guten Kälteaustausch zwischen der zweiten Stufe 14 der Kältea-iage 10 und dem Objekthalter44.
Nachdem zwischen den Wärmeaustauschern und dem Probenhalter Leine mechanischen Verbindungen existieren, ist es auch nicht möglich, daß irgendwelche Vibrationen von dir Kälteanlage auf den Probenhalter übertragen werden. Weiterhin wird die Möglichkeit, daß von anderen Teilen der Kälteanlage auf den Probenhalter 22 Vibrationen oder andere Bewegungskräfte übertragen werden, von der Manschette 28, die Vibrationen nicht überträgt, unterbunden. Solange das System bei einem Druck von einer Atmosphäre arbeitet, kann die Isoliermanschette 28 aus sehr dünnem flexiblen Material bestehen, da adf diese Weise die Drücke innerhalb und außerhalb der Manschette gleich dem Umgebungsdruck sind. Solange also keine Druckdifferenz zwischen innen und außen besteht, gibt die flexible Iso-

liermanschette keine Vibrationen weiter und verhindert damit die Übertragung von Vibrationskräften auf den Objekthalter 44. Wie sich aus der in F i g. I dargestellten Ausführungsform ergibt, lassen sich durch die konvektive Zirkulation die Kriterien einer maximalen Übertra- gung von Kälte mit einem gleichzeitig minimalen Volumen des fluiden Übertragungsmediums erfüllen. Die treibende Kraft für die Zirkulation ist der Dichteunterschied zwischen dem warmen und dem kalten Gas und die Länge der begrenzten Zirkulationsbahn, die gegeben ist durch die Länge des Wärmeaustauschers 48 in Relation zu dem extrem kalten Ende der Kältequelle. Zwar wird die Zirkulation durch die Passagen 43 im Objekthalteradapter 42 etwas verstärkt, doch ist in F i g. 3 eine weitere Einrichtung gezeigt, die es gestattet, die Zirkulation noch weiter zu verstärken.

Wie in Fig.3 dargestellt, ist zwischen dem Wärmeaustauscher 48 und dem Objekthalteradapter 42 ein im allgemeinen zylindrischer Kamin 100 angeordnet. Auf diese Weise wird eine lange Strombahn definiert, die durch den Wärmeaustauscher hinab bis zum Objekthalter 44, um diesen herum, dann durch die Passagen 43 zurück bis zum oberen Ende des Wärmeaustauschers 48 führt. Ein derartiger Kamin wird vorzugsweise aus einem nichtleitenden Material, wie z. B. Bakelit oder ei- nem anderen Kunststoff, hergestellt. Der Kamin stellt keine mechanische Verbindung zwischen der Kälteanlage 10 und dem Objekthalter 44 dar, so daß auf den letzteren keine Vibrationskräfte übertragen werden können. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für Studien des Mössbauereffektes hervorragend geeignet.

Durch die Verwendung anderer Übertragungsfluide in Verbindung mit der ersten Kühlstufe 12 und dem Probenhalter 22 ist es außerdem möglich, verschiedene Temperaturniveaus einzuhalten und Temperaturregelungen durchzuführen. So kann z. B. bei höheren Temperaturniveaus (z. B. 20° K) eine wirksamere Kälteübertragung bewerkstelligt werden, wenn das fluide Übertragungsmedium Wasserstoff ist, der zunächst verflüs- sigt und dann wieder verdampft wird. Eine Mischung von Übertragungsfluiden gestattet es, verschiedene Temperaturbereiche zu erreichen, so daß dieses Kondensations-Wiederverdampfungs-Verfahren gleichermaßen angewendet werden kann.

In F i g. 4 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die Gesamtlänge des Kühlsystems verkürzt ist Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die zwei Stufen des Übertragungssystems für das durch Konvektion zirkulierende Fluid so übereinsTJdergefaltet werden, daß eine verkürzte Version des Systems herauskommt Wie die Ausführungsform gemäß F i g. 1 hat auch die Ausführungsform gemäß 4 eine Kälteanlage 10 mit einer ersten und einer zweiten Stufe 12' und 14'.

Bei der Ausführungsform der F i g. 4 befindet sich die Kälteanlage innerhalb eines Fluidgehäuses 70. Wie bei der Ausführungsform der F i g. 1 ist das Gehäuse 70 von der Kälteanlage durch eine dünne flexible Manschette 28' isoliert Die erste Stufe 12" hat zwei Wärmeaustau- eo scher 58 und 60 mit einem dazwischen angeordneten Kamin 62. Der Kamin ist am Wärmeaustauscher 58 befestigt, berührt jedoch nicht den Wärmeaustauscher 60. Die zweite Stufe 14' hat in gleicher Weise Wärmeaustauscher 64 und 66 und einen Kamin 68. Die Wärmeaus- es tauscher 64 und 66 der zweiten Stufe 14' sind innerhalb eines Mantelrohres 72 angeordnet, das wie dargestellt innerhalb des Fluidgehäuses 70 zurückgesetzt ist Am Ende des Mantelrohres 72 befindet sich eine Kaltcndklappe 74. die von der zweiten Stufe 14', nämlich der kältesten Stufe der Kälteanlage, gekühlt wird. Wie bei der Ausführungsform der F i g. 1 wird das fluide Übertragungsmedium, z. B. Helium, durch eine geeignete öffnung 52 eingeführt und erfüllt den Raum zwischen den Kühlstufen 12' und 14' und den entsprechenden Mänteln 70 und 72. Die Wärmeaustauscher-Kamin-Anordnungen bewirken in Kooperation mit dem Kühleffekt der Kälteanlage in beiden Stufen eine konvektive Zirkulation des fluiden Übertragungsmediums und bewerkstelligen so eine Kühlung ohne eine mechanische Verkoppelung der Kälteanlage mit der Kaltendplatte 74.

In den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind die Wärmeaustauscher beschrieben als aus dünnem Kupferblech mit darauf angelöteten Abstandshaltern hergestellt. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, viele Typen von Wärmeaustauschern ein7iiset7en einschließlich solcher, die aus gefaltetem Kupferblech bestehen oder eine Vielzahl von Röhren oder dergleichen enthalten, vorausgesetzt, sie liefern dieselbe verlängerte und geschlossene Strombahn für die konvektive Zirkulation des fluiden Übertragungsmediums.

Es liegt außerdem im Bereich der Erfindung, nur eine einstufige Kälteanlage zur Erzeugung einer festgelegten kiyogenen Temperatur am kalten Ende der Kälteanlage zu verwenden und im übrigen einen ählichen Aufba j zu wählen.

Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, andere fluide Übertragungsmedien, wie z. B. Stickstoff, Argon, Luft, Wasserstoff, halogeniert^ Kohlenwasserstoffe, Edelgase, Methan und Mischungen derselben, zu verwenden.

Es liegt außerdem im Rahmen der Erfindung, an den äußersten Enden der verschiedenen Stufen der Kälteanlage kleine mechanische Ventilatoren oder ähnliche Einrichtungen für eine zwangsweise Zirkulation zu verwenden, um die konvektive Zirkulation des fluiden Übertragungsmediums noch weiter zu fördern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Vorrichtung zur erschütterungsfreien Übertragung von in einer Kälteanlage erzeugten Kälte auf ein zu kühlendes, auf einer Objekthalterung befindliches Objekt mit Hilfe eines in der Kälteanlage gekühlten und im Kreislauf geführten gasförmigen Fluids, wobei die kälteste Stufe der Kälteanlage und die Objekthalterung innerhalb eines gasdichten Mantels angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der kältesten Stufe (14, 14') der Kälteanlage (10, 10') einen Wärmeaustauscher (48; 64) zur Kühlung eines weiteren gasförmigen, innerhalb des gasdichten Mantels umgewälzten Fluids aufweist, der in einem räumlichen Abstand ohne mechanische Verbindung zur Objekthalterung (44) angeordnet ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (48; 64) eine Vielzahl won länglichen, im allgemeinen parallelen Fiuidpassagen für eine konvektive Zirkulation des weiteren gasförmigen Fluids hat
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zu dem ersten Wärmeaustauscher (48; 64) zur Verlängerung der Zirkulationsbahn des weiteren gasförmigen Fluids ein zweiter Wärmeaustauscher (46; 58) angeordnet ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die weitere Verstärkung der konvektiven Zirkulation des weiteren gasförmigen Fluids zwujhen den beiden Wärmeaustauschern (46, 48 bzw. 58,64) ein Kamin (100; 62) angeordnet ist