RU38384U1

RU38384U1 - Проточный оптический криостат

Info

Publication number: RU38384U1
Application number: RU2004105714/20U
Authority: RU
Inventors: Е.И. Демихов; Ю.А. Туфлин; Л.С. Круц; В.А. Каржавин
Original assignee: Зао "Рти, Технологии, Приборы, Материалы"
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2004-06-10

Description

Проточный оптический криостат.

Полезная модель относится к низкотемпературной технике и может быть использована при проведении физических исследований в интервале температур от 2 до 500 К.

Известен проточный оптический криостат RC102-CFM фирмы CRYO Industries Техническое описание криостата. Сайт фирмы CRYO Industries www.cryoindustries.com. Этот криостат содержит транспортную магистраль в виде трубок Дьюара с необходимыми компонентами, обеспечивающими работоспособность магистрали; сосуд Дьюара, как хранилище жидкого хладоагента и сам криостат, включающий в себя вакуумированный корпус с оптически прозрачными окнами, хладопровод в виде медного стержня, который охлаждается поступающим по магистрали хладоагентом, нагреватель, расположенный на хладопроводе, датчик температуры, установленный на этом же хладопроводе и электрический разъем для подключения блока управления криостатом.

Недостатком этого криостата является низкая скорость изменения температуры (время охлаждения образца от комнатной температуры до температуры жидкого хладоагента 20 минут, а время нагрева вновь до комнатной температуры в несколько раз больше). Этот недостаток обусловлен конструкцией криостата, в частности наличием массивного медного хладопровода.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является малогабаритный проточный оптический криостат для поляризационного микроскопа, содержащий вакуумированный корпус с оптически прозрачным окном, хладопровод, теплообменник, нагреватель, датчик температуры, трубки Дьюара для подачи жидкого хладоагента из сосуда Дьюара и вывода наружу отработанного хладоагента, электрический разъем Авторское свидетельство СССР № 1717909, БИ № 9, 1992 г..

/-2О04105714

t t 4

F 25 D 3/10

В этом криостате, принятом за прототип, хладопровод выполнен не из меди, а из сапфира, который имеет высокую теплопроводность при температуре ниже 80 К и низкую теплопроводность при температуре выше 80 К, а нагреватель расположен в непосредственной близости от образца. Благодаря такой конструкции криостат обеспечивает более высокую скорость охлаждения образца от температуры 80 К до температуры жидкого хладоагента, а также более высокую скорость нагрева от температуры 80 К до 300 К. Однако общая скорость изменения температуры от максимальной до минимальной и наоборот остается невысокой (время перехода от минимальной температуры до максимальной температуры составляет 10 минут), что является недостатком этого криостата.

Задачей предлагаемого технического решения является создание быстродействующего криостата, позволяющего значительно повысить скорость изменения температуры в криостате.

Поставленная задача решается заявляемым проточным криостатом, содержащим вакуумированный корпус с оптически прозрачным окном, хладопровод, теплообменник, нагреватель криостата, датчик температуры, трубки Дьюара для подачи и вывода хладоагента, электрический разъем, который дополнительно снабжен газогенератором и блоком управления, при этом хладопровод выполнен в виде полого тонкостенного цилиндра из материала с высокой теплопроводностью, теплообменник выполнен в виде двух коаксиально расположенных трубок с теплоизолирующим вакуумным зазором между ними и расположен за пределами корпуса криостата, нагреватель криостата выполнен в виде нескольких проволочных спиралей, заполняющих внутреннюю трубку теплообменника, газогенератор включает в себя сосуд Дьюара с жидким хладоагентом, холодильник-змеевик, нагреватель сосуда Дьюара, датчик давления газообразного хладоагента и датчик нижнего уровня жидкого хладоагента, а блок управления обеспечивает одновременное управление

-л -A 09/0W/9

работой криостата по двум каналам, а именно, газогенератором и нагревателем криостата.

Криостат работает следующим образом: после включения микроконтроллерного блока управления 16 и запуска зашитой в нем программы управления криостатом нагреватель И сосуда Дьюара 9 начинает испарять находящийся в сосуде Дьюара жидкий хладоагент 10. Образовавшийся в результате испарения газообразный хладоагент 14 начнет под давлением проходить через холодильник-змеевик 12, погруженный в жидкий хладоагент. Заборная трубка этого холодильника всегда находится выше уровня жидкого хладоагента. Проходя через холодильник-змеевик, газообразный хладоагент охлаждается до температуры жидкого хладоагента, не переходя при этом в жидкую фазу. Получение газообразного хладоагента с максимально низкой температурой и без капель жидкой фазы в полученном газе является важной задачей всего газогенератора, поскольку при «теплом газе невозможно достичь максимально низкой температуры образца 17, а капли жидкой фазы вызывают случайные колебания температуры образца. Оптимальный режим управления криостатом, при котором газообразный хладоагент имеет температуру максимально близкую к температуре жидкого хладоагента, а капель жидкой фазы в холодном газе нет, обеспечивает микроконтроллерный блок управления. Блок управления, изменяя ток нагревателя сосуда Дьюара, поддерживает такое давление газообразного хладоагента в верхней части сосуда Дьюара, при котором газ успевает охладиться в холодильнике - змеевике, но не конденсироваться при этом в виде капель. Давление в верхней части сосуда Дьюара измеряет датчик давления 13. Кроме того, корректировка тока нагревателя сосуда Дьюара автоматически производится блоком управления по сигналу с датчика температуры 4. Если в сигнале с датчика температуры, относительно установившегося уровня, появляются случайные колебания, вызванные каплями жидкой фазы в газообразном хладоагенте, то блок управления

увеличивает ток нагревателя сосуда Дьюара до стабилизации сигнала с датчика температуры.

Газообразный хладоагент, температура которого равна температуре жидкого хладоагента, поступает в теплообменник 6, во внутренней трубке которого находится малоинерционный проволочный нагреватель 5, полностью заполняющий внутреннюю трубку теплообменника. Этот нагреватель соединен с блоком управления и нагревает проходящий через него газ до заданной температуры. Задание температуры исследуемого образца, а также задание скорости изменений этой температуры, осуществляется клавиатурой микроконтроллерного блока управления или с помощью подключенного к блоку управления компьютера. Теплоизоляция внутренней трубки теплообменника от внешней обеспечивается вакуумированнием зазора между ними.

После теплообменника газообразный хладоагент поступает в хладопровод 3 криостата. Хладопровоод представляет собой тонкостенный медный сосуд в нижней части которого находится впускное отверстие для хладоагента, а в верхней части - коллектор для выпуска хладоагента наружу. К верхней крышке хладопровода (снаружи) крепится исследуемый образец, а изнутри - датчик температуры. Газовый поток ударяется в верхнюю крышку хладопровода и быстро охлаждает ее (или нагревает) до заданной температуры с заданной скоростью.

Мощный нагреватель сосуда Дьюара, позволяющий быстро поднять давление газообразного хладоагента и, тем самым увеличить скорость газового потока, мощный малоинерционный теплообменник, тонкостенный полый хладопровод позволяют при программном управлении всеми процессами в криостате очень быстро изменить температуру исследуемого образца, что бывает необходимо при исследовании современных материалов. Так, время охлаждения образца от 300 К до 78 К (температура жидкого азота) не превышает 2 минут. Время обратного нагрева также примерно равно 2 минутам.

Имеющийся в сосуде Дьюара датчик нижнего уровня 15 жидкого хладоагента предотвращает аварийный режим работы криостата. При недостатке жидкого хладоагента по сигналу с этого датчика блок управления обесточивает нагреватель сосуда Дьюара и нагреватель криостата. Защитный клапан сосуда Дьюара предотвращает повреждение сосуда Дьюара при возникновении в нем недопустимо высокого давления.

Таким образом заявляемый проточный оптический криостат позволяет максимально быстро нагреть или охладить исследуемый образец, т.е. изменить температуру, например, от нескольких сотен до нескольких десятков Кельвинов за 2 минуты.

- -ffUvWeM

Claims

Проточный оптический криостат, содержащий вакуумированный корпус с оптически прозрачным окном, хладопровод, теплообменник, нагреватель криостата, датчик температуры, трубки Дьюара для подачи и вывода хладоагента, электрический разъем, отличающийся тем, что, он дополнительно снабжен газогенератором и блоком управления, при этом хладопровод выполнен в виде полого тонкостенного цилиндра из материала с высокой теплопроводностью, теплообменник выполнен в виде двух коаксиально расположенных трубок с теплоизолирующим вакуумным зазором между ними и расположен за пределами корпуса криостата, нагреватель криостата выполнен в виде нескольких проволочных спиралей, заполняющих внутреннюю трубку теплообменника, газогенератор включает в себя сосуд Дьюара с жидким хладоагентом, холодильник-змеевик, нагреватель сосуда Дьюара, датчик давления газообразного хладоагента и датчик нижнего уровня жидкого хладоагента, а блок управления обеспечивает одновременное управление работой криостата по двум каналам, а именно, газогенератором и нагревателем криостата.