КРИОСТАТ


КРИОСТАТ
КРИОСТАТ

(от греч. kryos - холод, мороз и statos - стоящий, неподвижный) - прибор для проведения низкотемпературных фиа. исследований или тер-мостатирования разл. объектов при низких (90-0,ЗК) и сверхнизких (T<0,3 К) темп-pax. К. различаются как по физ. процессу, приводящему к охлаждению либо к поддержанию заданной темп-ры, так и по используемому хладагенту.

Криостат откачки паров криожидкостей. Для получения и поддержания низких темп-р обычно применяют сжиженные газы, помещаемые в сосуды Дьюара. Откачивая пары этих газов, удаётся перекрыть следующие интервалы темп-р: 90-55 К (кислород); 78-63 К (азот); 27-24,5 К (неон); 20,4-14 К (водород); 4,2- 1,0 К (4 Не). Для получения темп-р Т<1 К (до 0,3 К) используют 3 Не, к-рый имеет более низкую, чем 4 Не, темп-ру кипения и не образует сверхтекучих плёнок на стенках откачиваемых камер (см. Гелий жидкий). Для теплоизоляции К., заливаемого жидкими кислородом и азотом, обычно достаточной оказывается высоковакуумная изоляция либо суперизоляция из большого кол-ва слоев металлизиров. полимерной плёнки. В гелиевых К. применяются также тепловые экраны с использованием вспомогат. хладагента (напр., азота) либо охлаждения потоком паров гелия. В К. откачки паров 3 Не тепловым экраном обычно служит ванна с 4 Не (рис. 1). В гелиевой ванне располагается вакуумная камера, в к-рой подвешены обычно на тонкостенных нержавеющих трубках т. н. одноградусная камера (камера Уитли) и камера откачки 3 Не. В первую камеру через дроссель непрерывно поступает жидкий 4 Не из гелиевой ванны, к-рый одновременно откачивается, чем поддерживается равновесная темп-pa гелия (1,2-1,4К). Одноградусная камера в данной конструкции необходима для конденсации и макс. охлаждения 3 Не, поступающего в камеру откачки 3 Не. После одноградусной камеры поток жидкого 3 Не также проходит через дроссель и поступает в камеру откачки 3 Не. При этом ок. 10% поступающей жидкости расходуется на то, чтобы охладить её от 1,2К до 0.ЗК. Регулируя мощность, рассеиваемую в нагревателе, можно получать соответствующие темп-ры.


2531-104.jpg

Рис. 1. Принципиальная схема криостата непрерывной откачки паров 3 Не: 1 - азотная ванна, 2 - медный экран, 3 - гелиевая ванна, 4 - вакуумная камера, 5 - одноградусная камера (камера непрерывной откачки 4 Не), 6 - камера откачки 3 Не, 7 - дроссели на линиях возврата 3 Не и 4 Не, 8 - экраны теплового излучения.


С понижением темп-ры всё более трудной задачей является установление хорошего теплового контакта между исследуемым образцом и хладагентом (это особенно относится к исследованиям, приводящим к разогреву образца,- оптическим, СВЧ и нейтронографическим). Для уменьшения теплового сопротивления между образцом и криожидкостью (см. Капицы скачок температуры )используют развитые поверхности из спечённого порошка меди пли серебра. В зависимости от выполняемых исследований К. могут быть снабжены оптич. окнами (оптический К.), сверхпроводящим соленоидом, СВЧ-вводами.

Давление насыщенных паров над жидкостью уменьшается экспоненциально с понижением темп-ры. Поток массы через границу раздела жидкой и газообразной фаз и через систему откачки пропорционален давлению пара, и, следовательно, хладопроизводительность откачки К. уменьшается экспоненциально с понижением темп-ры. Этим и определяется практич. температурный предел К. откачки.

Криостат (рефрижератор) растворения 3 Не в 4 Не. Действие К. этого типа основывается на том, что энтальпия раствора, рассчитанная на 1 моль 3 Не в растворе, существенно больше энтальпии концентрированного 3 Не. По этой причине процесс растворения 3 Не в 4 Не при пост. давлении сопровождается поглощением теплоты 2531-105.jpgQ. Большая хладопроизводительность этого метола связана также с тем, что при Т2531-106.jpg0 растворимость 3 Не в 4 Не остаётся конечной н равной 2531-107.jpg6% для насыщенного раствора. В этом случае при растворении 1 моля 3 Не поглощается кол-во теплоты 2531-108.jpgQ=94,5 Т 2 т-- 12,5 Т c2, где Т т- темп-pa раствора 3 Не в 4 Не; Т с - темп-pa поступающего 3 Не. Для непрерывной работы К. растворения требуется разделение используемых 3 Не и 4 Не. С этой целью производят откачку паров над смесью при Т2531-109.jpg.(0,6-0,8)К. При этих темп-pax давление насыщенного пара 3 Не более чем на порядок превышает давление паров 4 Не. Т. о., откачивается практически 3 Не. Др. способ разделения изотопов - прохождение раствора через сверхтекучий фильтр, пропускающий только сверхтекучий компонент 4 Не и задерживающий нормальный компонент и примесь 3 Не. В первом случае в К. растворения циркулирует 3 Не (рис. 2, а), во втором случае - 4 Не (рис. 2, б). Макс. охлаждение 3 Не, поступающего в камеру растворения, достигается с помощью противоточных теплообменников. Темп-pa, получаемая в К. растворения с циркуляцией 3 Не, определяется в основном эффективной площадью поверхности теплообменников (2531-111.jpg, м 2), скоростью циркуляции 3 Не (2531-112.jpg, моль/с) и притоком теплоты к камере растворения (2531-113.jpg, Вт):

2531-114.jpg

где R к- УД- сопротивление Капицы (2531-115.jpg10-2 м 2 К/Вт).


2531-110.jpg

Рис. 2. Принципиальная схема криостатов растворения 3 Не в 4 Не: а - с циркуляцией 3 Не; б - с 4 Не (сосуд Дьюара и гелиевая ванна не показаны); 1 - одноградусная камера, 2 - вакуумная камера, 3 - камера растворения, 4 - камера испарения, 5 - сверхтекучий фильтр, 6 - непрерывный теплообменник, 7 - ступенчатые теплообменники, 8- камера расслоения 3 Не и 4 Не, 9 - камера откачки 3 Не, Р - раствор 3 Не в 4 Не, К - концентрированный 3 Не.


Для получения мин. темп-р в К. растворения необходимо максимально ограничить приток теплоты и развить поверхность теплообменников. При 2531-116.jpg250 м 2 в К. растворения получена темп-ра 2 мК. К. растворения с циркуляцией 2531-117.jpg10-3 моль/с и хладопроизводительностью 2531-118.jpg100/T4 Вт (при Т2531-119.jpg6-30 мК) хорошо зарекомендовали себя в качестве рефрижераторов для предварит. охлаждения ступеней адиабатич. размагничивания (см. Магнитное охлаждение).

Кристаллизационный криостат 3 Не основан на использовании Померанчука эффекта, согласно к-рому в области темп-р 1-300 мК величина производной от давления по темп-ре 2531-120.jpg на кривой плавления 3 Не отрицательна. Вследствие этого адиабатич. сжатие 3 Не приводит к понижению его темп-ры с одноврем. образованием твёрдой фазы. Практически кристаллизация 3 Не позволяет получить Т2531-121.jpg1 мК, если 3 Не был предварительно охлаждён до 10-30 мК. Принципиальная схема кристаллизационного К. показана на рис. 3. Камера с подвижными стенками, заполненная 3 Не, соединена хладопроводом с рефрижератором, обеспечивающим предварит. охлаждение (обычно К. растворения 3 Не в 4 Не). На хладопроводе имеется тепловой ключ, служащий для размыкания теплового контакта между рефрижератором и компрессионной камерой. Давление 3 Не в компрессионной камере поднимают через систему (линию) заливки 3 Не до 2,93 *106 Па (29,3 бар), что соответствует минимуму на кривой плавления 3 Не. Дальнейшее сжатие 3 Не через систему заливки невозможно, т. к. в последней образуется пробка твёрдого 3 Не в области, соответствующей темп-ре 300 мК. Дальнейшее повышение давления в компрессионной камере обычно осуществляется прессом, заполненным 4 Не. Кристаллизационный К. применяют для исследований низкотемпературных свойств жидкого и твёрдого 3 Не.

2531-122.jpg

Рис. 3. Принципиальная схема кристаллизационного криостата 3 Не: 1 - рефрижератор предварительного охлаждения, 2- тепловой ключ, 3- хладопровод, 4 - компрессионная камера, 5 - пресс с 4 Не.

2531-123.jpg

Рис. 4. Принципиальная схема криостата ядерного размагничивания меди (ИФП АН СССР): 1 - ванна с гелием, 2- вакуумная камера, 3,7 - тепловой экран, 4 - камера растворения 3 Не в 4 Не, 5 - конические тепловые контакты, 6 - сверхпроводящий тепловой ключ, 8 - хладопровод, 9 - экспериментальная камера, 10 - экспериментальный соленоид, 11 - основной сверхпроводящий соленоид, 12 - ступень ядерного размагничивания.


Криостаты адиабатич. размагничивания основаны на использовании магнитокалорического эффекта, заключающегося в изменении темп-ры Т магн. вещества при адиабатич. изменении напряжённости магн. ноля H. Для К. используют обычно парамагнитные спиновые системы, адиабатич. размагничивание к-рых приводит к понижению Т. Процесс понижения темп-ры при адиабатич. размагничивании ограничивается областью T, при к-рой спиновая система переходит в магнитоупорядоченное состояние. С др. стороны, для макс. хладопроизводительности метода желательно иметь стартовые условия вблизи темп-рной аномалии теплоёмкости системы, возникающей при равенстве тепловой и магн. энергий. Эти два требования определяют выбор хладагентов для К. адиабатич. размагничивания. В области стартовых темп-р 1000-100 мК используются парамагн. соли (напр., церий-магниевый нитрат позволяет получить темп-ру до 2мК). В области стартовых темп-р 100-10 мК применяются ванфлековские парамагнетики, эффективный магн. момент к-рых варьируется в широком диапазоне - от электронного до ядерного. Используя PrNi5, удаётся получить темп-ру до 0,5 мК. При более низких стартовых темп-pax и применении мощных сверхпроводящих соленоидов удаётся использовать эффект адиабатич. размагничивания ядерных спиновых систем.

К. размагничивания могут включаться последовательно. Так, в двухступенчатых К. размагничивания, когда первая массивная ступень из меди либо из PrNi5 при размагничивании охлаждает вторую медную ступень, после размагничивания последней удаётся получить темп-ру ядер меди 2531-124.jpg10 нК. При этом темп-pa кристаллич. решётки меди и электронов проводимости составляет 2531-125.jpg10 мкК.

На рис. 4 показана принципиальная схема К. ядерного размагничивания меди. Ядерная ступень, помещённая в поле. 2531-126.jpg80 кЭ, охлаждается мощным К. растворения до Т2531-127.jpg10 мК. Затем размыкается сверхпроводящий тепловой ключ и осуществляется размагничивание (в течение 2-10 ч). За это время в системе успевает установиться тепловое равновесие и охладиться экспериментальная камера. Т. о. удаётся охладить камеру, содержащую сверхтекучий 3 Не, до Т2531-128.jpg100 мкК.

Лит.: Справочник по физико-техническим основам криогеники, под ред. М. П. Малкова, 3 изд., М., 1985; Растворы квантовых жидкостей, М., 1973; Лоунасмаа О. В., Принципы и методы получения температуры ниже 1 К, пер. с англ., М., 1977. Ю. М. Буньков.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Синонимы:

Смотреть что такое "КРИОСТАТ" в других словарях:

  • криостат — криостат …   Орфографический словарь-справочник

  • Криостат — устройство, с помощью которого рабочий объём поддерживается при низкой температуре за счёт постороннего источника холода. Обычно в качестве такого источника используют жидкие газы с низкими температурами конденсации (азот, водород, гелий и др.) т …   Википедия

  • КРИОСТАТ — (от крио... и...стат), устройство для поддержания в рабочем объеме постоянной криогенной температуры (ниже 120 К; около 150шC) обычно с помощью сжиженных газов с низкой температурой кипения (азота, водорода, гелия и др.) …   Современная энциклопедия

  • КРИОСТАТ — (от крио... и ...стат) устройство для поддержания в рабочем объеме постоянной криогенной температуры (ниже 120 К) обычно с помощью сжиженных газов с низкой температурой кипения (азота, водорода, гелия и др.) …   Большой Энциклопедический словарь

  • криостат — прибор для поддержания низкой температуры с помощью сжиженных газов (азота, гелия). Представляет собой, по существу, термос значительных размеров. Используется в криопрезервации. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа …   Словарь микробиологии

  • криостат — сущ., кол во синонимов: 1 • термостат (5) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

  • криостат — Устройство, предназначенное для криостатирования. [ГОСТ 21957 76] [ГОСТ 20935 91] Тематики криогенная техникакриоэлектроника EN cryostat DE Kryostat FR cryostat …   Справочник технического переводчика

  • Криостат — (от крио... и ...стат), устройство для поддержания в рабочем объеме постоянной криогенной температуры (ниже 120 К; около 150°C) обычно с помощью сжиженных газов с низкой температурой кипения (азота, водорода, гелия и др.).   …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • КРИОСТАТ — устройство из двух специальных сосудов (см. ) для поддержания в рабочем объёме стабильных низких температур обычно с помощью сжиженных газов с низкой температурой кипения (азота, водорода, гелия и др.). К. применяют для исследований физ. свойств… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Криостат — (от Крио... и греч. states стоящий, неподвижный)         Термостат, в котором рабочий узел или исследуемый объект поддерживается при температурах менее 120 К (криогенных температурах) за счёт постороннего источника холода. Обычно в качестве… …   Большая советская энциклопедия