RU2254622C1 - Cryogenic entry - Google Patents

Cryogenic entry Download PDF

Info

Publication number
RU2254622C1
RU2254622C1 RU2003128677/28A RU2003128677A RU2254622C1 RU 2254622 C1 RU2254622 C1 RU 2254622C1 RU 2003128677/28 A RU2003128677/28 A RU 2003128677/28A RU 2003128677 A RU2003128677 A RU 2003128677A RU 2254622 C1 RU2254622 C1 RU 2254622C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat exchanger
chamber
pipeline
balls
holes
Prior art date
Application number
RU2003128677/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003128677A (en
Inventor
С.И. Божко (RU)
С.И. Божко
В.А. Быков (RU)
В.А. Быков
А.М. Ионов (RU)
А.М. Ионов
С.А. Саунин (RU)
С.А. Саунин
Original Assignee
Зао "Нт-Мдт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Зао "Нт-Мдт" filed Critical Зао "Нт-Мдт"
Priority to RU2003128677/28A priority Critical patent/RU2254622C1/en
Publication of RU2003128677A publication Critical patent/RU2003128677A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2254622C1 publication Critical patent/RU2254622C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: cryogenic engineering; cooling parts to be measured.
SUBSTANCE: proposed cryogenic entry has heat exchanger incorporating part holder. Heat exchanger is disposed in vacuum chamber and communicates with first pipeline for feeding cooling agent and with second pipeline for cooling agent discharge. Pipeline joints in vacuum chamber are made in the form of first and second heat bypasses. Second pipeline is connected to shield. The latter functions to shield first pipeline and heat exchanger, as well as part holder. Heat exchanger incorporates chambers disposed in tandem and separated by perforated walls. First chamber communicates with first pipeline and last chamber, with second pipeline. These chambers are filled with heat-conducting filler in the form of balls. These balls are joined together so that through holes are provided between junction areas. First chamber is filled with balls of diameter d1 and second one, with balls of diameter d2. Joined balls filling first chamber form through holes of area S1 and area of through holes of those filling second chamber is S2, Here d1 < d2 and S1 < S2. Second chamber is provided with third cooling agent feeding pipeline. Part holder is secured on heat exchanger.
EFFECT: improved design.
6 cl, 5 dwg

Description

Устройство относится к области криогенной техники и может быть использовано для охлаждения объектов измерений, например, в сканирующей зондовой микроскопии.The device relates to the field of cryogenic technology and can be used to cool measurement objects, for example, in scanning probe microscopy.

Известен криогенный ввод, содержащий вакуумную камеру, в которой расположен держатель объекта, соединенный с источником хладагента [1].Known cryogenic input containing a vacuum chamber in which the holder of the object is connected to a source of refrigerant [1].

Недостаток этого устройства заключается в недостаточной эффективности использования хладагента, что связано со значительной величиной пути от объекта до него.The disadvantage of this device is the lack of efficiency in the use of refrigerant, which is associated with a significant magnitude of the path from the object to it.

Известен также криогенный ввод, расположенный в вакуумной камере и содержащий держатель объекта, соединенный с теплообменником, который подсоединен к первому трубопроводу для подачи гелия и ко второму трубопроводу для отвода гелия. При этом второй трубопровод подсоединен к экрану, внутри которого расположены первый трубопровод и теплообменник. Кроме этого, первый и второй трубопровод соединены с теплоразвязками [2].Also known is a cryogenic inlet located in a vacuum chamber and containing an object holder connected to a heat exchanger that is connected to a first helium supply pipe and a second helium discharge pipe. In this case, the second pipeline is connected to the screen, inside which the first pipeline and the heat exchanger are located. In addition, the first and second pipelines are connected with heat isolation [2].

Первый недостаток этого устройства заключается в высоком расходе гелия, связанным с относительной прямоточностью теплообменника.The first disadvantage of this device is the high helium consumption associated with the relative direct flow of the heat exchanger.

Второй недостаток связан с недостаточной экранированностью держателя объекта.The second drawback is associated with insufficient shielding of the object holder.

Все вышеперечисленное снижает эффективность работы криогенного ввода.All of the above reduces the efficiency of cryogenic input.

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.The specified device is selected as a prototype of the proposed solution.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности работы криогенного ввода.The technical result of the invention is to increase the efficiency of cryogenic input.

Указанный технический результат достигается тем, что в криогенном вводе, содержащем теплообменник с держателем объекта, расположенный в вакуумной камере, соединенный с первым трубопроводом для подачи хладагента и, по меньшей мере, одним вторым трубопроводом для отвода хладагента, которые в свою очередь подключены к источнику хладагента, расположенному снаружи вакуумной камеры, причем места соединения трубопроводов с вакуумной камерой выполнены в виде первой и второй теплоразвязок, а второй трубопровод подсоединен к экрану, экранирующему первый трубопровод и теплообменник, экран установлен с возможностью экранирования также и держателя объекта, а теплообменник содержит рабочие камеры, расположенные последовательно и разделенные стенками с отверстиями, причем первая камера соединена с первым трубопроводом, а последняя с, по меньшей мере, одним вторым трубопроводом, при этом камеры заполнены теплопроводящим наполнителем, а держатель объекта закреплен непосредственно на теплообменнике.The specified technical result is achieved in that in a cryogenic inlet containing a heat exchanger with an object holder located in a vacuum chamber, connected to a first refrigerant supply pipe and at least one second refrigerant discharge pipe, which in turn are connected to a refrigerant source located outside the vacuum chamber, and the junction of the pipelines with the vacuum chamber is made in the form of the first and second heat isolation, and the second pipe is connected to the screen, shielding the first pipeline and the heat exchanger, the screen is installed with the possibility of shielding the object holder as well, and the heat exchanger contains working chambers arranged in series and separated by walls with openings, the first chamber being connected to the first pipeline and the last with at least one second pipeline, while the chambers are filled with a heat-conducting filler, and the object holder is mounted directly on the heat exchanger.

Существует также вариант, в котором на экране закреплены пружинные прижимы, сопряженные с держателем объекта или объектом, а теплообменник подвешен на пружинах в вакуумной камере.There is also an option in which spring clamps are attached to the screen, coupled with the object holder or object, and the heat exchanger is suspended on springs in a vacuum chamber.

Возможно расположение отверстий в стенках между рабочими камерами таким образом, что их проходная площадь увеличивается по мере удаления от центра теплообменника.It is possible to arrange the openings in the walls between the working chambers in such a way that their passage area increases with distance from the center of the heat exchanger.

В некоторых случаях целесообразно снабжение камер перегородками, увеличивающими длину проходного отверстия.In some cases, it is advisable to supply the chambers with partitions that increase the length of the passage opening.

Возможно также выполнение теплопроводящего наполнителя в виде шариков, соединенных между собой таким образом, что между зонами соединения существуют сквозные отверстия.It is also possible to perform a heat-conducting filler in the form of balls interconnected in such a way that through holes exist between the connection zones.

Существует также вариант, в котором держатель объекта изготовлен из сапфира.There is also an option in which the object holder is made of sapphire.

Существует также вариант, в котором первая камера заполнена шариками с диаметрами d1, образующими сквозные отверстия между собой с площадью S1, а вторая камера заполнена шариками с диаметрами d1, образующими сквозные отверстия между собой с площадью S2, при этом d1<d2, a S1<S2, а вторая камера снабжена, по меньшей мере, одним третьим трубопроводом для подачи хладагента.There is also an option in which the first chamber is filled with balls with diameters d 1 forming through holes with each other with area S 1 , and the second chamber is filled with balls with diameters d 1 forming through holes with each other with area S 2 , with d 1 < d 2 , a S 1 <S 2 , and the second chamber is provided with at least one third pipe for supplying refrigerant.

На фиг.1 изображен криогенный ввод с линейным последовательным расположением рабочих камер.Figure 1 shows the cryogenic input with a linear sequential arrangement of the working chambers.

На фиг.2, 3 - варианты выполнения рабочих камер.In figure 2, 3 - embodiments of the working chambers.

На фиг.4 - криогенный ввод с центрально-симметричным расположением рабочих камер.Figure 4 - cryogenic input with a centrally symmetric arrangement of the working chambers.

На фиг.5 - криогенный ввод со сканирующим зондовым микроскопом.Figure 5 - cryogenic input with a scanning probe microscope.

Криогенный ввод содержит теплообменник 1 (фиг.1) с держателем 2 объекта 3, соединенный с первым трубопроводом 4 для подачи хладагента и со вторым трубопроводом 5 для отвода хладагента. Трубопроводы 4 и 5 подсоединены к источнику 6 хладагента. Источник 6 хладагента на фиг.1 изображен условно. Он может содержать систему хранения, нагнетания и сбора хладагента.The cryogenic input comprises a heat exchanger 1 (Fig. 1) with a holder 2 of object 3 connected to the first pipe 4 for supplying refrigerant and to the second pipe 5 for draining the refrigerant. Pipelines 4 and 5 are connected to a source of refrigerant 6. The source of refrigerant 6 in figure 1 is depicted conditionally. It may contain a refrigerant storage, discharge and collection system.

Следует заметить, что предложенный криогенный ввод предназначен для использования его в вакуумной камере 7 со средствами откачки 8.It should be noted that the proposed cryogenic input is intended for use in a vacuum chamber 7 with pumping means 8.

Для обеспечения эффективной работы криогенного ввода места соединения трубопроводов 4 и 5 с вакуумной камерой 7 оформлены в виде первой и второй теплоразвязок 9 и 10. Теплоразвязки 9 и 10 обычно выполняют из тонкостенных нержавеющих трубок, соединенных пробками и подсоединенных разными концами к вакуумной камере 7 и трубопроводам 4 и 5. Второй трубопровод 5 соединен посредством теплопроводящего контакта с экраном 11, расположенным с возможностью экранирования держателя 2 объекта 3, теплообменника 1 и первого трубопровода 4. Теплообменник 1 содержит, например, первую, вторую и третью рабочие камеры 12, 13 и 14, разделенные первой и второй стенками 15 и 16 с первыми и вторыми отверстиями 17 и 18. При этом в данном конкретном исполнении первый трубопровод 4 проходит через вторую камеру 13 и третью камеру 14 и соединен с первой камерой 12. Камеры 12, 13 и 14 заполнены первым, вторым и третьим теплопроводящими наполнителями 19, 20 и 21. На теплообменнике установлен нагревательный элемент 22 и термопара 23, подключенные к блоку управления 24 (см., например, [3]).To ensure the efficient operation of the cryogenic input, the joints of pipelines 4 and 5 with the vacuum chamber 7 are designed in the form of the first and second heat exchangers 9 and 10. Heat exchangers 9 and 10 are usually made of thin-walled stainless tubes connected by plugs and connected at different ends to the vacuum chamber 7 and pipelines 4 and 5. The second pipe 5 is connected by means of a heat-conducting contact with the screen 11, which is arranged to shield the holder 2 of the object 3, the heat exchanger 1 and the first pipe 4. The heat exchanger 1 contains um, for example, the first, second and third working chambers 12, 13 and 14, separated by the first and second walls 15 and 16 with the first and second holes 17 and 18. In this particular embodiment, the first pipe 4 passes through the second chamber 13 and the third the chamber 14 and is connected to the first chamber 12. The chambers 12, 13 and 14 are filled with the first, second and third heat-conducting fillers 19, 20 and 21. The heat exchanger has a heating element 22 and a thermocouple 23 connected to the control unit 24 (see, for example, [3]).

Следует заметить, что теплообменник может быть снабжен дополнительными термопарами (не показаны), подсоединенными, например, к экрану 11, к объекту 3 со стороны держателя 2 либо с противоположной стороны.It should be noted that the heat exchanger can be equipped with additional thermocouples (not shown) connected, for example, to the screen 11, to the object 3 from the side of the holder 2 or from the opposite side.

Следует заметить, что количество рабочих камер может меняться в зависимости от габаритов и назначения устройства.It should be noted that the number of working chambers can vary depending on the size and purpose of the device.

Для более эффективного использования теплообменника 1 возможно закрепление на экране 11 пружинных прижимов 25, сопряженных, например, с объектом 3. Если объект 3 закреплен на держателе 2, например, с применением холодной пайки индием, прижимы 25 могут фиксировать держатель 2.For a more efficient use of the heat exchanger 1, it is possible to fix spring clips 25 connected to the object 3 to the screen 11. If the object 3 is mounted on the holder 2, for example, using cold brazing with indium, the clamps 25 can fix the holder 2.

Кроме этого возможен вариант использования криогенного ввода, содержащий платформу 26, соединенную через теплоизоляторы 27 с теплообменником 1 и подвешенную на пружинах 28 в вакуумной камере 7.In addition, it is possible to use a cryogenic input containing a platform 26 connected through heat insulators 27 to a heat exchanger 1 and suspended on springs 28 in a vacuum chamber 7.

Следует заметить, что вариант использования пружин 28 довольно часто используется, т.к. трубопроводы 4 и 5 изготавливаются из тонкостенных трубок, длина которых может превышать 10 см, и имеют недостаточную прочность для удержания теплообменника 1.It should be noted that the use of springs 28 is often used, because pipelines 4 and 5 are made of thin-walled tubes, the length of which can exceed 10 cm, and have insufficient strength to hold the heat exchanger 1.

На фиг.1 условно не показаны отверстия, через которые происходит установка теплообменника 1 в вакуумную камеру 7, загрузка-выгрузка держателя 2 объекта 3 и другие технологические операции с объектом 3. Экран 11 при этом также должен иметь отверстие с подвижной шторкой (не показано) для загрузки-выгрузки держателя 2 объекта 3.In Fig. 1, the holes through which the heat exchanger 1 is installed in the vacuum chamber 7, the loading and unloading of the holder 2 of the object 3, and other technological operations with the object 3 are not shown, the screen 11 should also have an opening with a movable shutter (not shown) for loading and unloading the holder 2 of the object 3.

Существует вариант, в котором проходная площадь отверстий 29, 30 и 31 (фиг.2) в стенках между камерами увеличивается по мере удаления от центра теплообменника.There is an option in which the passage area of the openings 29, 30 and 31 (FIG. 2) in the walls between the chambers increases with distance from the center of the heat exchanger.

Возможно также выполнение камер с перегородками 32 (фиг.3), одними концами закрепленными на стенках и увеличивающими длину проходного отверстия.It is also possible the execution of chambers with partitions 32 (figure 3), one ends fixed to the walls and increasing the length of the through hole.

В одном из вариантов выполнения наполнитель состоит из шариков, при этом шарики могут быть соединены (сварены или спаяны) между собой таким образом, что между зонами сварки или пайки существуют сквозные отверстия.In one embodiment, the filler consists of balls, while the balls can be connected (welded or brazed) together so that there are through holes between the zones of welding or soldering.

Существует также вариант, где держатель 2 объекта 3 выполнен в виде сапфировой пластины, имеющей хорошую теплопроводность при низких температурах.There is also an option where the holder 2 of the object 3 is made in the form of a sapphire plate having good thermal conductivity at low temperatures.

В частном случае в качестве держателя 2 для объекта 3 может использоваться поверхность теплообменника 1.In the particular case, the surface of the heat exchanger 1 can be used as a holder 2 for the object 3.

Существует также вариант, в котором первая камера 33 (фиг.4) соединена, как и в ранее описанном случае с первым трубопроводом 34 и заполнена шариками 35 с диаметрами d1. В стенке 36 цилиндрической формы, выполнены отверстия 37, 38 и 39 по окружности с увеличением проходной площади по мере удаления от выходного отверстия 40 первого трубопровода 34. Вторая камера 41 заполнена шариками 42 с диаметрами d2. Шарики 35 и 42 образуют между собой сквозные отверстия с площадями S1 и S2 соответственно, при этом d1<d2, a S1<S2. При возможности проникновения шариков в отверстия 37, 38 и 39, отверстия могут быть защищены сетками (не показаны).There is also an option in which the first chamber 33 (FIG. 4) is connected, as in the previously described case, to the first pipe 34 and filled with balls 35 with diameters d 1 . In the wall 36 of a cylindrical shape, holes 37, 38 and 39 are made around the circumference with increasing passage area as you move away from the outlet 40 of the first pipe 34. The second chamber 41 is filled with balls 42 with diameters d 2 . Balls 35 and 42 form between them through holes with areas S 1 and S 2, respectively, with d 1 <d 2 , a S 1 <S 2 . If balls penetrate the openings 37, 38 and 39, the openings may be protected by nets (not shown).

Вторая камера 41 снабжена набором вторых трубопроводов 43 для отвода хладагента и третьих трубопроводов 44 для подвода хладагента, расположенных по окружности. Вообще говоря, возможен упрощенный вариант, в котором используется по одному трубопроводу для отвода и подвода хладагента. Описанный вариант предполагает наличие двух источников хладагента. Например, источника гелия 45 и источника азота 46. При этом в систему охлаждения включены вентили 47, 48, 49 и 50. Источник азота 46 содержит систему хранения (сосуд Дюара) и систему нагнетания, выполненную в виде азотного резервуара с резистивным нагревом. В источнике гелия 45 помимо системы хранения (сосуда Дюара для гелия с азотной рубашкой) и системы нагнетания (гелиевого резервуара с резистивным нагревом), введена система сбора гелия. Обычно система сбора гелия представляет собой централизованную систему, соединенную с криогенным вводом трубопроводами (не показана). На фиг.1 и фиг.4 трубопроводы для отвода отработанного хладагента заведены в источник хладагента, например, для вторичного его использования с целью охлаждения подводящих трубопроводов. В частном случае отводящие трубопроводы могут соединяться с «атмосферой».The second chamber 41 is provided with a set of second pipelines 43 for discharging the refrigerant and third pipelines 44 for supplying the refrigerant arranged in a circle. Generally speaking, a simplified version is possible, in which one pipe is used to discharge and supply refrigerant. The described option assumes the presence of two sources of refrigerant. For example, a helium source 45 and a nitrogen source 46. In this case, valves 47, 48, 49 and 50 are included in the cooling system. The nitrogen source 46 comprises a storage system (Duar vessel) and a discharge system made in the form of a nitrogen tank with resistive heating. In the source of helium 45, in addition to the storage system (Duar vessel for helium with a nitrogen jacket) and the discharge system (helium tank with resistive heating), a helium collection system has been introduced. Typically, a helium collection system is a centralized system connected to cryogenic piping (not shown). In figure 1 and figure 4, pipelines for the discharge of spent refrigerant are brought into the source of refrigerant, for example, for its secondary use in order to cool the supply pipelines. In the particular case, the discharge pipes can be connected to the "atmosphere".

Вариант использования криогенного ввода в сканирующей зондовой микроскопии изображен на фиг.5, где на платформу 51 установлен сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) 52 (см., например, [4, 5]).A variant of using cryogenic input in scanning probe microscopy is depicted in FIG. 5, where a scanning probe microscope (SPM) 52 is installed on the platform 51 (see, for example, [4, 5]).

СЗМ 52 установлен с использованием стоек 53, находящихся во взаимодействии с опорами 54. При этом зонд 55 СЗМ, используя отверстие 56 в экране 11, расположен с возможностью взаимодействия с объектом 3.SPM 52 is installed using racks 53, which are in interaction with supports 54. In this case, the probe 55 SPM, using the hole 56 in the screen 11, is located with the possibility of interaction with the object 3.

Для установки СЗМ 52 на платформу 51 в вакуумной камере 57 обычно используют быстросъемный фланец 58. При этом в момент установки СЗМ 52, а также при замене держателя 2 объекта 3 платформа 51 может быть зафиксирована относительно вакуумной камеры 57 с использованием электромагнитного или механического захвата 59 (см., например, [6, 7]). СЗМ 52 может иметь блок управления 60, вынесенный за стенки вакуумной камеры 57 с использованием вакуумного разъема 61. При монтаже теплообменника в вакуумной камере 57 и для установки держателя 2 объекта 3 можно также использовать быстросъемный фланец 58. Однако для установки держателя 2 объекта 3, а также для замены зонда 55 целесообразно использовать загрузочное устройство 62 с манипулятором 63, подстыкованное к вакуумной камере 57. Подробнее с такими устройствами можно ознакомиться в [8, 9]. При этом в экране 11 выполнено отверстие 64 с подвижной шторкой 65, приводимой в движение манипулятором 63.To install the SPM 52 on the platform 51, a quick-detachable flange 58 is usually used in the vacuum chamber 57. Moreover, at the time of installation of the SPM 52, as well as when the holder 2 of the object 3 is replaced, the platform 51 can be fixed relative to the vacuum chamber 57 using an electromagnetic or mechanical grip 59 ( see, for example, [6, 7]). SZM 52 may have a control unit 60, placed outside the walls of the vacuum chamber 57 using a vacuum connector 61. When installing the heat exchanger in the vacuum chamber 57 and to install the holder 2 of the object 3, you can also use the quick-detachable flange 58. However, to install the holder 2 of the object 3, and Also, to replace the probe 55, it is advisable to use a loading device 62 with a manipulator 63, docked to the vacuum chamber 57. For more details on such devices, see [8, 9]. In this case, a hole 64 is made in the screen 11 with a movable shutter 65 driven by the manipulator 63.

В криогенном вводе и его вариантах, описанных выше, были использованы следующие элементы и материалы.In the cryogenic input and its variants described above, the following elements and materials were used.

Вакуумная камера 57 была изготовлена из стали 12Х18Н10Т и имела объем порядка 30 дм3.The vacuum chamber 57 was made of steel 12X18H10T and had a volume of about 30 dm 3 .

В качестве средств откачки использовался турбомолекулярный насос, обеспечивающий давление в камере 57 порядка 10-6 мм.рт.ст.As a means of pumping, a turbomolecular pump was used, which provided a pressure in the chamber 57 of the order of 10 -6 mm Hg.

Источники азота и гелия были выполнены в виде криостатов, теплоразвязки 9 и 10 были изготовлены из стальных (12Х18Н10Т) трубок толщиной 0.3 мм, а трубопроводы из медных трубок с наружным диаметром 3-5 мм.Sources of nitrogen and helium were made in the form of cryostats, heat exchangers 9 and 10 were made of steel (12X18H10T) tubes 0.3 mm thick, and pipelines from copper tubes with an outer diameter of 3-5 mm.

Корпус теплообменника был изготовлен из меди. Шарики из стали теплопроводящего наполнителя имели диаметр в диапазоне 1-3 мм.The heat exchanger body was made of copper. Balls made of heat-conducting filler steel had a diameter in the range of 1-3 mm.

Экран 11 был изготовлен из медной фольги, а теплоизоляторы из керамики и кварца.Screen 11 was made of copper foil, and heat insulators of ceramic and quartz.

Предельно низкая температура образца доходила до 5 К.Extremely low sample temperature reached 5 K.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

После установки держателя 2 объекта 3, используя источник 6, подают, например, жидкий гелий или азот по трубопроводу 4 в первую камеру 12. Проходя в отверстия между теплопроводящими наполнителями 19, 20 и 21, а также в отверстия 17 и 18 стенок 15 и 16, хладагент охлаждает теплообменник, после чего собирается через трубопровод 5 в источнике 6. В результате этого охлаждается держатель 2 с объектом 3, закрепленный на теплообменнике 1. Термопара 23 фиксирует температуру держателя 2, передает информацию в блок управления 24, который посредством нагревательного элемента 22 имеет возможность поддерживать температуру держателя 2 в требуемом диапазоне. При этом экран 11 посредством теплопроводного контакта с трубопроводом 5 экранирует поток тепла со стенок вакуумной камеры 7 на теплообменник 1, трубопровод 4 и держатель 2 с образцом 3.After installing the holder 2 of the object 3, using the source 6, for example, liquid helium or nitrogen is fed through a pipe 4 to the first chamber 12. Passing through the holes between the heat-conducting fillers 19, 20 and 21, as well as into the holes 17 and 18 of the walls 15 and 16 , the refrigerant cools the heat exchanger, and then collects through the pipe 5 in the source 6. As a result, the holder 2 with the object 3 is cooled, mounted on the heat exchanger 1. The thermocouple 23 captures the temperature of the holder 2, transmits information to the control unit 24, which by heating ementa 22 has the ability to maintain the temperature of the holder 2 in the desired range. In this case, the screen 11 by means of heat-conducting contact with the pipe 5 shields the heat flux from the walls of the vacuum chamber 7 to the heat exchanger 1, the pipe 4 and the holder 2 with the sample 3.

При использовании варианта, изображенного на фиг.2, хладагент за счет меньшего сопротивления его движению через стенки по краям теплообменника более равномерно распределяется по его объему.When using the option shown in figure 2, the refrigerant due to less resistance to its movement through the walls along the edges of the heat exchanger is more evenly distributed over its volume.

Применение перегородок 32 (фиг.3) увеличивает длину проходного отверстия и повышает сопротивление движению гелия.The use of partitions 32 (Fig. 3) increases the length of the passage opening and increases the resistance to movement of helium.

Функционирование теплообменника, изображенного на фиг.4, происходит следующим образом. Открывают вентили 47 и 48 (вентили 49 и 50 при этом закрыты) и, используя источник 45, подают жидкий гелий в первую камеру 33. Сначала движение гелия происходит между шариками 35 через отверстия с площадями S1, далее через отверстия 37, 38 и 39, далее между шариками 42 через отверстия с площадями S2 до вторых трубопроводов 43, через которые осуществляется возврат гелия в источник 45. Размеры отверстий 37, 38 и 39 выбирают таким образом, чтобы поток гелия проходил и через отверстия 37 и 38 и между шариками 35, достигая отверстие 39.The operation of the heat exchanger depicted in figure 4, is as follows. Valves 47 and 48 are opened (valves 49 and 50 are closed at the same time) and, using source 45, liquid helium is supplied to the first chamber 33. First, the movement of helium occurs between balls 35 through openings with areas S 1 , then through openings 37, 38 and 39 then between the balls 42 through openings with areas S 2 to the second pipelines 43 through which the helium is returned to the source 45. The dimensions of the openings 37, 38 and 39 are chosen so that the helium flow passes through the openings 37 and 38 and between the balls 35 reaching hole 39.

При работе теплообменника на жидком азоте закрывают вентили 47 и 48 и открывают вентили 49 и 50. После этого, используя источник 46, подают азот через третьи трубопроводы 44 во вторую камеру 41. При этом перемещение азота происходит между шариками 42 через отверстия с площадями S2 до вторых трубопроводов 43, по которым азот возвращается в источник 46. Движение азота, имеющего достаточно высокую вязкость, между шариками 35 через отверстия с площадями S1 при этом может не происходить, т.к. величина S1 оптимизирована для экономичного прохождения гелия, имеющего существенно меньшую вязкость относительно азота.When the heat exchanger is operating on liquid nitrogen, the valves 47 and 48 are closed and the valves 49 and 50 are opened. After that, using a source 46, nitrogen is supplied through the third pipes 44 to the second chamber 41. In this case, the nitrogen moves between the balls 42 through openings with areas S 2 to the second pipelines 43, through which nitrogen is returned to the source 46. The movement of nitrogen having a sufficiently high viscosity between the balls 35 through openings with areas S 1 may not occur, because the value of S 1 is optimized for the economical passage of helium having a significantly lower viscosity with respect to nitrogen.

Держатель с объектом в обоих случаях устанавливают на носителе аналогично варианту по фиг.1.The holder with the object in both cases is mounted on the media in the same way as in FIG. 1.

При использовании криогенного ввода со сканирующим зондовым микроскопом открывают фланец 58 (фиг.5), отодвигают шторку 65 и закрепляют держатель 2 с объектом 3 на теплообменнике 1, обеспечивая его механический контакт с термопарой 23. После этого устанавливают СЗМ 52 на опоры 54 платформы 51. При этом зонд 55 располагают в отверстии 56 экрана 11 с возможностью взаимодействия с объектом 3. Следует заметить, что возможно проводить эти операции с использованием захвата 59 при зафиксированном состоянии платформы 51. После установки СЗМ 52 освобождают захват 59, формируют на образце требуемую температуру, осуществляют подвод зонда 55 к объекту 3 и осуществляют исследование его поверхности. Подробно см. [4, 5]. Замену зонда, а также держателя 2 объекта 3 можно проводить, используя загрузочное устройство 62 с манипулятором 63 в зафиксированном состоянии платформы 51.When using cryogenic input with a scanning probe microscope, the flange 58 is opened (Fig. 5), the shutter 65 is pushed back and the holder 2 with the object 3 is fixed on the heat exchanger 1, ensuring its mechanical contact with the thermocouple 23. After that, the SPM 52 is mounted on the supports 54 of the platform 51. In this case, the probe 55 is located in the hole 56 of the screen 11 with the possibility of interaction with the object 3. It should be noted that it is possible to carry out these operations using the capture 59 with the fixed state of the platform 51. After installing the SPM 52 release the capture 59, the desired temperature is formed on the sample, the probe 55 is connected to the object 3, and its surface is examined. See details in [4, 5]. The probe, as well as the holder 2 of the object 3 can be replaced using the loading device 62 with the manipulator 63 in the fixed state of the platform 51.

Введение экрана, соединенного со вторым трубопроводом и расположенного с возможностью экранирования также держателя объекта, повышает эффективность использования криогенного ввода.The introduction of the screen connected to the second pipeline and located with the possibility of shielding also the holder of the object, increases the efficiency of using cryogenic input.

Выполнение теплообменника в виде набора рабочих камер, разделенных стенками с отверстиями и заполненных теплопроводящим наполнителем, также повышает эффективность работы криогенного ввода.The implementation of the heat exchanger in the form of a set of working chambers separated by walls with holes and filled with a heat-conducting filler also increases the efficiency of cryogenic input.

Введение пружинных прижимов объекта, закрепленных на экране и сопряженных с держателем объекта или объектом, оптимизирует тепловые потоки между объектом и окружающей средой.The introduction of spring clamps of the object, mounted on the screen and interfaced with the holder of the object or object, optimizes the heat flux between the object and the environment.

Подвеска теплообменника на пружинах в вакуумной камере увеличивает механическую надежность системы, а также позволяет использовать теплообменник в зондовой микроскопии, что расширяет его функциональные возможности.Suspension of the heat exchanger on the springs in the vacuum chamber increases the mechanical reliability of the system, and also allows the use of the heat exchanger in probe microscopy, which expands its functionality.

Расположение отверстий в стенках между камерами таким образом, что площадь их проходных отверстий увеличивается по мере удаления от центра теплообменника, более равномерно распределяет потоки хладагента и улучшает его охлаждение.The location of the openings in the walls between the chambers in such a way that the area of their through holes increases with distance from the center of the heat exchanger, more evenly distributes the flows of the refrigerant and improves its cooling.

Снабжение рабочих камер перегородками, увеличивающими длину проходного отверстия, позволяет более эффективно использовать теплоноситель. Особенно это относится к гелию, имеющему высокую текучесть.The supply of working chambers with partitions that increase the length of the bore, allows more efficient use of the coolant. This is especially true for helium having high fluidity.

Выполнение теплопроводящего наполнителя в виде шариков повышает повторяемость характеристик криогенных вводов.The implementation of the heat-conducting filler in the form of balls increases the repeatability of the characteristics of cryogenic inputs.

Изготовление держателя объекта из сапфира обеспечивает хорошую теплопроводность при низких температурах и повышает эффективность использования криогенного ввода.The manufacture of an object holder made of sapphire provides good thermal conductivity at low temperatures and increases the efficiency of using cryogenic input.

Использование двух камер с шариками разных диаметров позволяет более эффективно использовать гелий, пропуская его через первую камеру с шариками малого диаметра. Это целесообразно из-за высокой текучести гелия, который нерационально используется при больших отверстиях между шариками. Азот же вообще может не проходить через маленькие отверстия, поэтому его пропускают через вторую камеру с шариками большего диаметра.The use of two chambers with balls of different diameters allows more efficient use of helium, passing it through the first chamber with balls of small diameter. This is advisable because of the high fluidity of helium, which is irrationally used for large openings between the balls. Nitrogen may not pass through small holes at all, so it is passed through a second chamber with balls of larger diameter.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент Японии N6 - 208041, 1994.1. Japan patent N6 - 208041, 1994.

2. Патент США US 4162401, 1979.2. US patent US 4162401, 1979.

3. Блок регулировки температуры с термопарами.3. Temperature control unit with thermocouples.

4. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т. 12, №1, 1998 г., с.99-121.4. Probe microscopy for biology and medicine. V.A. Bykov et al., Sensory Systems, vol. 12, No. 1, 1998, pp. 99-121.

5. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И.Данилов, Успехи химии, 64 (8), 1995 г., с.818-833.5. Scanning tunneling and atomic force microscopy in surface electrochemistry. A.I. Danilov, Advances in Chemistry, 64 (8), 1995, p. 818-833.

6. Патент US №5157256, 1991.6. US patent No. 5157256, 1991.

7. Патент RU №2158454, 1999.7. Patent RU No. 2158454, 1999.

8. Патент RU №2152103, 1996.8. Patent RU No. 2152103, 1996.

9. Патент RU №2208845, 2001.9. Patent RU No. 2208845, 2001.

Claims (6)

1. Криогенный ввод, содержащий теплообменник с держателем объекта, расположенный в вакуумной камере, соединенный с первым трубопроводом для подачи хладагента и, по меньшей мере, одним вторым трубопроводом для отвода хладагента, которые, в свою очередь, подключены к источнику хладагента, расположенному снаружи вакуумной камеры, причем места соединения трубопроводов с вакуумной камерой выполнены в виде первой и второй теплоразвязок, а второй трубопровод подсоединен к экрану, экранирующему первый трубопровод и теплообменник, отличающийся тем, что экран установлен с возможностью экранирования также и держателя объекта, а теплообменник содержит рабочие камеры, расположенные последовательно и разделенные стенками с отверстиями, причем первая камера соединена с первым трубопроводом, а последняя - с, по меньшей мере, одним вторым трубопроводом, при этом камеры заполнены теплопроводящим наполнителем, в виде шариков, соединенных между собой таким образом, что между зонами соединения существуют сквозные отверстия, при этом первая камера заполнена шариками с диаметрами d1, образующими сквозные отверстия между собой с площадью S1, а вторая камера заполнена шариками с диаметрами d2, образующими сквозные отверстия между собой с площадью S2, при этом d1<d2, a S1<S2, вторая камера снабжена, по меньшей мере, одним третьим трубопроводом для подачи хладагента, а держатель объекта закреплен непосредственно на теплообменнике.1. A cryogenic inlet comprising a heat exchanger with an object holder located in a vacuum chamber, connected to a first refrigerant supply pipe and at least one second refrigerant discharge pipe, which, in turn, are connected to a refrigerant source located outside the vacuum the chamber, and the junction of the pipelines with the vacuum chamber is made in the form of the first and second heat decouples, and the second pipeline is connected to the screen screening the first pipe and heat exchanger, characterized the fact that the screen is installed with the possibility of shielding also the holder of the object, and the heat exchanger contains working chambers arranged in series and separated by walls with holes, the first camera being connected to the first pipe and the last with at least one second pipe, the chambers are filled with a heat-conducting filler in the form of balls interconnected in such a way that there are through holes between the connection zones, while the first chamber is filled with balls with diameters d 1 , the image having through holes with each other with an area of S 1 , and the second chamber is filled with balls with diameters d 2 , forming through holes with each other with an area of S 2 , with d 1 <d 2 , a S 1 <S 2 , the second camera is equipped with at least one third pipeline for supplying refrigerant, and the object holder is mounted directly on the heat exchanger. 2. Криогенный ввод по п.1, отличающийся тем, что в него введены пружинные прижимы, закрепленные на экране и сопряженные с держателем объекта или объектом.2. The cryogenic input according to claim 1, characterized in that spring clamps are inserted into it, mounted on the screen and paired with an object holder or object. 3. Криогенный ввод по п.1, отличающийся тем, что теплообменник подвешен на пружинах в вакуумной камере.3. The cryogenic input according to claim 1, characterized in that the heat exchanger is suspended on springs in a vacuum chamber. 4. Криогенный ввод по п.1, отличающийся тем, что проходная площадь отверстий в стенках между рабочими камерами увеличивается по мере удаления от центра теплообменника.4. The cryogenic input according to claim 1, characterized in that the passage area of the holes in the walls between the working chambers increases with distance from the center of the heat exchanger. 5. Криогенный ввод по п.1, отличающийся тем, что рабочие камеры содержат перегородки, увеличивающие длину проходного отверстия.5. The cryogenic input according to claim 1, characterized in that the working chambers contain partitions that increase the length of the passage opening. 6. Криогенный ввод по п.1, отличающийся тем, что держатель объекта выполнен из сапфира.6. The cryogenic input according to claim 1, characterized in that the object holder is made of sapphire.
RU2003128677/28A 2003-09-26 2003-09-26 Cryogenic entry RU2254622C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003128677/28A RU2254622C1 (en) 2003-09-26 2003-09-26 Cryogenic entry

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003128677/28A RU2254622C1 (en) 2003-09-26 2003-09-26 Cryogenic entry

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003128677A RU2003128677A (en) 2005-03-27
RU2254622C1 true RU2254622C1 (en) 2005-06-20

Family

ID=35560129

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003128677/28A RU2254622C1 (en) 2003-09-26 2003-09-26 Cryogenic entry

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2254622C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011160863A1 (en) 2010-06-21 2011-12-29 Closed Stock Company "Institute Of Applied Nanotechnology" Scanning probe microscope with nanotome

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011160863A1 (en) 2010-06-21 2011-12-29 Closed Stock Company "Institute Of Applied Nanotechnology" Scanning probe microscope with nanotome

Also Published As

Publication number Publication date
RU2003128677A (en) 2005-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20060236709A1 (en) Spacing-saving superconducting device
EP1102304A3 (en) Particle-optical apparatus including a low-temperature specimen holder
TWI519757B (en) In-line ultrapure heat exchanger
KR20030066660A (en) Apparatus and method for transferring a cryogenic fluid
JP2009172129A (en) Superconducting magnet apparatus and magnetic resonance imaging apparatus
CN103890601A (en) Superconductive electromagnet apparatus and cooling apparatus and method thereof
CN109642880B (en) Modular sample holder for high pressure freezing and X-ray crystallography of samples
EP2028505A2 (en) Coolant assembly of a DNP apparatus
JPH08279412A (en) Helium cooling superelectric conduction magnet collection body
CN106298148B (en) Superconducting magnet system and cooling piece
RU2254622C1 (en) Cryogenic entry
EP3054338A1 (en) Mounting device for a sample and method for removing a sample
JP2008500712A (en) Refrigeration unit interface for cryostat
FI119478B (en) Reactor
EP3775745B1 (en) High-performance thermal interfaces for cylindrical or other curved heat sources or heat sinks
JP4759551B2 (en) Flow cooling magnet system
EP4184081A1 (en) Modular cryogenic cooling system
JP2645346B2 (en) Low temperature physical property test equipment
CN213120020U (en) Heat treatment apparatus
Bunkov et al. A compact dilution refrigerator with vertical heat exchangers for operation to 2 mK
JPH10313135A (en) High-temperature superconductor magnetic shielding device
US5941090A (en) Thermal jacket for pressurized containers
CN113227675A (en) Cryostat operated with liquid helium and method of operation thereof
KR20170053691A (en) Arrangement for cryogenic cooling
DE3768268D1 (en) PROBE ARRANGEMENT FOR TAKING GAS FROM A TURNTUBLE CEMENT STOVE.

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120927