DE3435229A1

DE3435229A1 - Kryostat fuer den betrieb einer (pfeil hoch)3(pfeil hoch)he-(pfeil hoch)4(pfeil hoch)he-mischeinheit

Info

Publication number: DE3435229A1
Application number: DE19843435229
Authority: DE
Inventors: Rainer 7500 Karlruhe Gumbsheimer; Wabe Dr. 7513 Stutensee Heeringa
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1984-09-26
Filing date: 1984-09-26
Publication date: 1986-04-03
Also published as: GB8520841D0; GB2166535A; DE3435229C2; GB2166535B

Description

Kernforschungszentrum Karlsruhe, den 17.Sept.84 Karlsruhe GmbH PLA 8452 Ku/he

ANR 1002597

Kryostat für den Betrieb einer "^He- He-Mi sehe inheit

Γ Λ f

Beschreibung,:

Die Erfindung betrifft einen Kryostaten für den Betrieb

3 ^Δ
einer He- "He-

Anspruches 1.

3 ^Δ
einer He-"He-Mischeinheit nach dem Oberbegriff des

Die Kryotechnik gewinnt immer mehr an. Bedeutung, nicht zuletzt durch die Supraleitungstechnik, unter anderem im medizinischen Bereich und in der Fusionstechnologie. Daraus resultieren viele Forschungs- und Meßaufgaben im Tieftemperaturbereich in der Nähe des absoluten Nullpunktes. In der Festkörperphysik und Kernphysik werden \tfichtige Daten gewonnen durch Experimente mit polarisierten Kernen. Hierzu werden Temperaturen im mK-Bereich und starke äußere Magnetfelder benötigt.

Die bevorzugte Methode zur Erzeugung von Temperaturen

•3 im mK-Bereich ist die Verdünnung von flüssig- He in

4 3 4

flüssig-"He in einem He- He-Mischkryostaten. Bekannt

3 4
sind He- I-Ie-Kryostaten von Oxford Instruments und S.H.E.Corporation. Die eigentliche Mischeinheit, bestehend aus einem 1 K-Topf (oder 1 K-Platte), Destiller, Wärmetauscher und Mischkammer, befindet sich innerhalb des evakuierten 4 K-Raumes eines gewöhnlichen Helium-Tieftemperaturkryostaten. Diese Mischeinheit wird zunächst durch "He-Kontaktgas auf 4 K und nach Entfernen des Kontaktgases durch Abpumpen von He aus dem 1 K-Topf auf eine Temperatur zwischen 1 und 2 K gebracht. Bei dieser Temperatur wird das He- He-Gemisch

3 4
in den He- He-Kreislauf einkondensiert. Durch Zirkulavon He innerhalb dieses geschlossenen Kreislauf es wird

:hGERElCHT

■II I "■

in der Mischkammer He aus einer He-reichen Phase durch eine Phasentrennung in eine He-arme Phase überführt. Dem System wird aufgrund der unterschiedlichen Enthalpien des He in den beiden Phasen Wärme entzogen. Mit solchen Kühlmaschinen können unter optimalen Bedingungen Temperaturen bis zu 2 mK erreicht werden.

Das Vorkühlen, insbesondere das Entfernen des Kontaktgases, ist sehr zeitaufwendig und bedarf einer Hegasdichten Ausführung des 4 K-Raumes und des 1 K-Topfes. Zusätzlich sind getrennte Vakuumpumpsysteme erforderlich für den 4 K-Raum und für das Hauptisoliervakuum.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Abkühlzeit der Probö in dem eingangs genannten Kryostaten/wesentlich vermindertem technischen Aufwand zu verkürzen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung wieder*

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.

Figur 1 zeigt das Schnittbild einer Ausführung des gesamten Kryostatensystems, bestehend aus einem evakuierten Kryostaten 1 in dem sich konzentrisch um die auf Temperaturen unter 4,2 K abgekühlten Teile von außen nach innen folgende Einrichtungen befinden: (LN₂ = flüssiger Stickstoff) ein LN^-Bad 2 mit thermisch gekoppeltem LN^-Schild 3, an der Aufhängung 24 ein LHe-Bad 4 (LHe = flüssiges Helium) mit ebenfalls thermisch gekoppeltem LHe-Schild 5, ein den 2 κ-Raum 6 umschließenden 2 K-Hitzeschild 6a, das gut wärmeleitend unterhalb des 2 K-Bechers 7 (siehe Figur 3) montiert ist.

Der 2 K-3echer 7 ist am unteren Boden des LHe-Bades 4 vakuumdicht angeflanscht. Innerhalb des 2 K-Hitzeschildes 6a befindet sich die in Figur 2 dargestellte Mischeinheit 8, an deren Mischkammer 11, in der die für die Probe 14 notwendige Temperatur im mK-Bereich erzeugt wird, über einen gut wärmeleitenden Kupferstab 13 die Probe 14 angebracht ist.

Die Probe 14 und der Kupferstab 13 we.rden von einem weiteren Hitzeschild 11a umgeben, der thermisch mit der Mischkammer 11 verbunden ist. Am Boden des LHe-Bades 4 ist ein supraleitender Magnet 15 über die Aufhängung 25 angebracht, der im eigenen Heliumbad zylindrisch außerhalb des 2 K-Hitzeschildes 6a die Probe 14 einschließt und das für die Kernpolarisation notwendige starke Magnetfeld erzeugt.

— 7 —

In dem Kryostaten 1 befinden sich, längs der Symmetrieachse die zum Betrieb notwendigen Leitungs- und Rohrsysteme. So der zum Füllen des Kryostaten 1 notwendige Heliumheber 25 und die zugehörige Abgasleitung 26 mit der aus Sicherheitsgründen notwendigen Berstscheibe 27«

In den 2 K-Becher 7 mündet der Verdampfer 19 mit dem in Figur 4 dargestellten Nadelventil 20 und dem Pumprohr 21, an dessen Ende der Pumprohrausgang 22 und der Nadelventilantrieb 23 zu sehen sind.

Längs der Symmetrieachse ist mit wechselndem Durchmesser die He-Abpumpleitung 16 deutlich zn sehen. Sie führt durch den 2 K-Becher 7 bis zur Mischeinheit

8 und endet am Destiller 9. Entlang dieser He-Abpumpleitung 16 und um diese herum beginnend am Destiller 9, windet sich mit vielen Windungen unterschiedlicher Steigung, zum Teil als Wärmetauscher ausgebildet, die He-Kondensationsleitung 17, Von oben kommend führt ebenfalls durch den 2 K-Becher 7 das Vorkühlrohr 12 bis zur Mischeinheit 8,mit deren Teilen ein zum Wärmeaustausch notwendiger guter Kontakt besteht.

Figur 2 zeigt eine Version der Mischeinheit 8, die aus runden scheibenförmigen Teilen besteht, die längs der Achse mit unterschiedlichen Abständen mon-

tiert sind. Von oben nach unten liegen der Destiller 9, die Wärmetauscher 10 und die Mischkammer 11 untereinander. Der zur Kühlung mittels der ³He-Phasentrennung notwendige He-Kreislauf erfolgt über die am Destiller 9 angebrachte He-Kreislaufleitung 17 und

3
die He-Abpumpleitung 16. Das Vorkühlrohr 12 ist beispielsweise bifilar am Umfang der scheibenförmigen Teile angebracht, kann aber auch in- anderer geeigneter Weise mit den Teilen verbunden, z.B. auf der Oberfläche scheibenförmig ausgebildet oder auch durch geeignete Kanäle oder Bohrungen in die Teile selbst integriert sein. Zum guten thermischen Kontakt kann diese Verbindung durch Löten, Schweißen oder Pressen erfolgen oder auch in den Teilen selbst ausgebildet sein.

Figur 3 zeigt den 2 K-Becher 7 mit dem hindurchgeführten Vorkühlrohr 12, mit der als Wärmetauscher 18 ausge-

3 3

bildeten He-Kondensationsleitung 17 und der He-Abpumpleitung 16. Die zum Heliumaustausch notwendige direkte Öffnung zum Heliumbad 4 ist deutlich zu erkennen. Diese zum Heliumbad 4 offen gestaltete Anordnung erlaubt zu jeder Zeit, und vorteilhafterweise im abgekühlten Zustand des gesamten Systems, das Herausnehmen und Wiedereinsetzen des Verdampfers 19, der in den 2 K-Becher 7 mündet und in Figur 4 näher beschrieben ist.

Figur 4 zeigt die Anordnung der Einzelteile des Verdampfers 19. Das Nadelventil 20 ist ein in der Längsachse hohler Drehkörper mit einem seitlichen

Einlaß 29 für Helium. Der Hohlraum ist so geformt, daß der Auslaß 31 mit der Spitze einer Nadel 30 definiert verengt werden kann. Das der Spitze abgewandte Ende der Nadel 30 ist über eine Antriebstange 28 mit einem Nadelventilantrieb 23, der nach dem Prinzip einer Mikrometerschraube arbeitet, verbunden. Der Auslaß 31 mündet im Expansionsvolumen 32, das über mehrere dünne zum Pumprohr 21 führende Röhrchen 33 ausgepumpt wird. Das zum Einlaß 29 einströmende Helium wird gezielt über den von der Nadel 30 eingeengten Auslaß 31 im ständig abgepumpten Expansionsvolumen 32 zum Verdampfen gebracht.

Abweichend zu den bekannten und üblicherweise verwendeten Kryostaten wurden demnach durch die Erfindung (s.Fig. 1) der übliche 1 K-Topf durch einen 2 K-Becher 7 unterhalb des 4 K-Bades 4 ersetzt und die Mischeinheit 8 mit einem Vorkühlrohr 12 versehen, wobei der 2 K-Raum 6 an das allgemeine Vakuumsystem angeschlossen wurde, da das Fluten mit Stickstoff- und Wasserstoff-oder Heliumgas nicht mehr erforderlich ist. Damit entfällt das separate Vakuumsystem und die lange Abpumpzeit des 2 K-Raumes 6.

In den 2 K-Becher 7, dessen Helium in direktem Kontakt mit dem Heliumbad 4 steht, mündet ein Verdampfer 19, bestehend aus einem Nadelventil 20 zwischen dem flüssigen Helium und einem nach außen führenden Pumprohr 21. Durch Öffnen des Nadelventils 20 bei gleichzeitigem Pumpen verdampft flüssiges Helium in das Expansionsvolumen Dadurch nimmt die Temperatur des umgebenden Heliums

- 10 -

ab. Wegen seiner höheren Dichte sinkt das kältere Helium zum Boden des 2 K-Bechers 7 ab. Der Prozeß hält solange an, bis das Helium bei einer Temperatur von 2,17 K, seine maximale Dichte und damit den superfluiden Zustand erreicht hat. Bis zu einem bestimmten Niveau, das von der Kühlleistung des Verdampfers 19 abhängt, befindet sich das superfluide Helium bei 2,17 K im Gleichgewichtszustand. Angestrebt wird hier die Höhe des 2 K-Bechers 7, der über den Wärmetauscher 18 zur Vorkühlung des He für die Mischeinheit 8 dient. Mit dem sehr empfindlich reagierenden Nadelventil 20 wird die Kälteleistung des Verdampfers 19 mit der notwendigen Genauigkeit eingestellt. Dies wird mit einem sehr präzisen Nadelventilantrieb 23 erreicht, der sich außerhalb des Kryostaten 1 befindet und über eine lange Antriebsstange 28 mit dem Nadelventil 20 verbunden ist, so daß die Leistung des Verdampfers besser als auf 5 mW genaut eingestellt werden kann.

Dadurch, daß das Nadelventil 20 mit dem Nadelventilantrieb 23 über die Antriebsstange 28 verbunden ist und das Pumprohr 21 konzentrisch die Antriebstange 28 umhüllt, ist eine Wartung des Verdampfers 19 zu jeder Zeit, auch im abgekühlten Zustand möglich. Man braucht nur die ganze Einheit wie ein Rohr aus dem Kryostaten 1 herauszuziehen.

Das Vorkühlen der Mischeinheit 8 erfolgt ohne Verwendung von Kontaktgas durch erzwungenes Durchströmen von Kältemittel durch ein Vorkühlrohr 12 das fest mit den verschiedenen Teilen der Mischeinheit 8 verbunden ist.

12

Die durch die Wärmeleitung des Vorkühlrohres/im Normalbetrieb nach dem Vorkühlen auf die unterschiedlichen Teile der Mischeinheit 8 zugeführte Wärmeleistung ist vernachlässigbar. _ 11 _

Al

Die geforderte Temperatur der Probe 14 im mK-Bereich wird erreicht über den Kupferstab 13 als gute Wärmeleitverbindung zur Mischkammer 11 der Mischeinheit 8. Die niedrige Temperatur der Mischkammer 11 bis 2 mi' wird erreicht durch Phasentrennung von He in einem erzwungenen Ke-.Fluß über die Wärmetauscher 10 und den Destiller 9, der mit einer He-Abpumpleitung 16 und Ke-Kondensationsleitung 17 verbunden ist. Die Kondensationsleitung 17 wird über den anderen Wärmetauscher 18, der sich im superfluiden Helium im 2 K-Becher 7 befindet mit komprimiertem Ke versorgt, das in diesem 2 K--Becher 7 auf eine Temperatur £ 3 K abgekühlt wurde.

Die mit der Erfindung erfolgte Änderung des Kryostatenaufbaus erhöht in besonders vorteilhafter Weise die Effektivität und Betriebssicherheit des Kryostaten.

Die Gesamtzeit zum Vprkühlen der Mischeinheit 8 ist kürzer als die Zeit* die normalerweise benötigt wird, um den Kryostaten 1 bis auf 4 K abzukühlen. Dies bedeutet, daß wenn der Kryostat 1 aufgefüllt ist, auch die Vorkühlung der Mischeinheit 8 abgeschlossen ist.

- 12 -

-H-

Bezugszeichenliste:

1	Kryostatdruckbehälter	26	Heliuxngas leitung
2	LN₂-Bad	27	Berstscheibe
3	LN₂-Schild	28	Antriebstange
4	LHe-Bad '·	29	Einlaß
5	LHe-Schild	30	Nadel
6	2 K-Raum	31	Auslaß
6a	2 K-Hitzeschild	32	Expansionsvolumen
7	2 K-Becher	33	Röhrchen
8	Mischeinheit
9	Destiller
10	Wärmetauscher
11 Ii*	Mischkammer Hitzeschild Vo rkunlronr
13	Kupferstab
14	Probe
15	sunraleitender

Magnet

16 3j3e-Abpumpleitung

17 °He-Kondensationsleitung

18 andere Wärmetauscher

19 Verdampfer

20 Nadelventil

21 Pumprohr

22 Pumprohrausgang

23 Nadelventilantrieb

24 Aufhängung LHe-Bad

25 Aufhängung Magnete

- 13 -

Claims

,NACHGcRdCHf

mmmmmmcmmimmiimmme

Kernforschungszentrum Karlsruhe, den 17. Sept. 1984 Karlsruhe GmbH PLA 8452 Ku/he

ANR 1002597

Patentansprüche:

1.) Kryostat für den Betrieb einer He- He-Miseheinheit, bei der ein Destiller, ein oder mehrere Wärmetauscher und eine Mischkammer, die mit der Probe im Wärmekontakt steht, innerhalb eines evakuierten 4 K-Raumes angeordnet sind, wobei die Mischeinheit zuerst auf eine Temperatur von 4 K und dann durch Zirkulation von He innerhalb eines geschlossenen He-Kreislaufes auf eine Temperatur bis zu 2 mK abkühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Teil des 4 K-Bades ohne räumliche Abtrennung als 2 K-Becher '(7) ausgebildet ist, in dem mittels eines Verdampfers (19) eine Temperatur um 2,2 K erzielbar ist,

b) der He-Kreislauf (16, 17) für die Mischkammer (11) in Gestalt eines Wärmetauschers (18) durch diesen 2 K-Becher (7) hindurchgeführt ist und

c) zur Vorkühlung der Mischeinheit (8) auf eine Temperatur von etwa. 4 K eine Kühlleitung (12) zur Führung eines flüssigen und/oder gasförmigen Kühlmittels auf dem Destiller (9), den Wärmetauschern (10) und der Mischkammer (11) der Mischeinheit (8) fest angebracht ist.

2. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der 2 K-Becher (7) als Sammelbehälter für das

2,2 K-He als Fortsatz unterhalb des 4 K-Bades (4) angeordnet ist.

. Kryostat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitung (12) bifilar ausgeführt ist.

. Kryostat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitung (12) durch den 2 K-Becher (7) hindurchgeführt ist.

5. Kryostat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet< daß das 2 K-Hitzeschild (6a) für die Mischeinheit (8) am 2 K-Becher (7) befestigt ist.

. Kryostat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß d.er Verdampfer (19) aus einem Expansionsvolumen (32) und einem in das Pumprohr (21) integrierten, die Kühlleistung bestimmenden und einstellbaren Nadelventil (20) besteht.

. Kryostat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelventil (20)

über eine lange, innerhalb des Pumprohres (21) geführte Antriebs-tange (28) mit dem nach dem Prinzip einer Mikrometerschraube wirkenden Nadelventilantrieb (23) einstellbar ist.

8. Kryostat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden/ dadurch gekennzeichnet, daß der Nadelventilantrieb (23) sich außerhalb des Kryostaten (1) befindet und als Einheit mit dem Verdampfer (19) so ausgebildet ist, daß er aus dem abgekühlten Kryostaten (1) zur Wartung herausnehmbar und wieder einsetzbar ist.