Криостат

(57) Изобретение относитских тймператур и касаетсяпроведения исследованияских явлений, например, в к технике низкриостЛтов для электроФизичеполупроводни. Пцн ОЮЛ,2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИдг=ТЕЛ ЬСТВУ(71) Центральное проектно-конструкторское и технологическое бюро нау ного приборостроения АН ЛЗССР;56) Авторское свидетельство СССРйг 403927, кл. Р 25 О 3/10, 1973.Авторское свир:тельство СССР ГФ1592679,кл, Г 25 С 3/1 О, 19; 8,.,Ж 10461 А 1 ках, Целью изобретения является снижение расхода криоагента, расширение диапазона регулирования скорогти изменения темпе-. ратуоы. Образец 4 закрепляют в днигце 5 камеры и закрывают крышкой 13. Держатель, заключенный в теплоизолированный кожух 7 с металлической оболочкой, хладопровод 6 и теплообменик, содержащий корпус 15 и радиатор 16. размео(гют в емкости 2, заполненной жидким криоагентом 3. Образец 4 охлаждается до температуры, близко к температуре криоагента 3. При нагрев образца вклю кают злектрснггр" ватель 9 и закрывают газоотводную трубку 29 и часть каналов 24 - 27. Для измеения диапазона скорости нагрева образца 4 меняют соотношение жидкого и газообразного криоагента 3 в теплообменнике, перекрывая один из каналов 24 - 27. 1 ил,Изобретение относится к технике низких температур и касается криостатов для проведения исследований злектрофлзических явлений, например, в полупроэодникэх,Известен криостэт, содержащий емкость для жидкого криоагекта с виде сосуда Дьюара, держатель, расположенный в сосуде Дьюара, ка котором крепится образец, охлаждаемый либо парами х:идкого хладггента, либо ээ счет теплопроводности держателя или хладопровода, осуществляющих тспловую связь междухладагентом и образцом.ГНедостатком криостата является сложность и массивность конструкции, необходимость герметизации или даже откачкикриостата во избежание конденсации на образце влаги. Пои исследовании обьектоа с поглощью криостатов трудно реализовать скорость нагрева более 0,1 К/с),Кроме того, по мере испарения хладагента, происходящего за счет теплообмека держателя с внешней средой, расстояниемежду хладагентом и исследуемым образцом увеличивается, Реализовать воспроиэводимость и постоянство скорости нагреване удается,Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является криостят, содержащий емкость для жидкого риоагокта, установленный,в кей с воэможностью расположекия на поверхности жидкого криоагекта теплоизалированкый кожух с металлической оболочкой, заключенные в кего держатель образца, выполненный в видеполой камеоы со сквозкь,ми отверс 1 иями в крышке и днище для прохода паров криоагента, прикреплснный к днищу камеры хладопровод с осевым каналом, соосным сотверстием в днигце камеры, злектронагревател 1 ргсположеккый на хладопроводепод днищем камеры,Недостатками известного криостата являются: непосредственный контакт хлгдопровода с хладагентом, приводящий к вибрации поплавка-криостата за счет кипе ния хладагента, что вносит помехи при исследованиях; неэкономный расход хладагента; неэкономный расход электроэнергии для достижения повь;шения скоростей нагрева (более 1 К/с); усложнение средств регулированиятемпературы,Целью изобретения является снижениерасхода криоагекта, расширение диапаэона Оегуллове.-куя са"угти ие,л,кен", ;, иперетурьНа чертеже изображен криостат, аксонометрия,Криос"эт содерх;ит корпус 1 с раэмсщенкой в нсмл емкостью 2 для криоагента 3.Держатель образца 4 выполненный в виде камеры с прикрепленным к ее днищу 5 хла допроводом 6. заключен в теплоиэолирующий кожух 7 с металлической оболочкой 8 и установлек в емкости 2 с воэможностью расположения на поверхности криоагекта 3. Электронагреватель 9 в теплоизоляцион ной прокладке 10 установлен на хлацопроводе 6 под днищем 5 камеры, Посгедняя выполнена рэзьемной со сквозными отверстиями 11 и 12 в крышке 13 и дниц,е 5 соответственно для прохода пэров риоа гента 3, Хладопровод 6 имеет осевой канал14, соосный с отверстием 12 в днище 5.Помимо этого криостаг снабжен теплообменкиком. содержащим корпус 15 и радиатор 16, При этом корпус выполнен е виде 20 цилиндрического стакана с обечайкой 17, иустановлен так, что его днище 18 имеет тепловой кон 1 экт с кожухом 7, а горловика 19 стакана расположена ниже предполагаемого уровня крглоагента 3 в емкости 2. Стакан 25 и обечайка 17 выполнены иэ материала,идентичкого соотвегствекно материалу кожуха 7 и оболочки О.Внутренняя поверхность корпуса 15имеет купологбраэную орму, в дкь гце 18 30 выпс кено освое о 1 верстие 20, Радиатор16 ви,пГ,:.к В виде усеченного онуса, об" рэщскного меньшим основанием к дни цу 18 койпуса 15, укреплен В отверстии 20 днища 18 и соединен через переходник 21 с 35 хладопроводом 6, Переходник 21 и радиатор 16 имеют каналы 22 и 23, соосные с каналом 14 в хладопроводс 6. В корпус15 и кояухе 7 выполнено в данком случае негыре сквозных ка гала 24 - 27 для регул 1 р,е мого вывода паров криоагента 3 из полостикорпуса 15.Каналы 24 - 27 одним концом открываются на внутренней поверхности хорпуса 15 на разном уровне, а в верхней части высо дятся с помощью кембриков 28.8 зависяости от выбранного режима часть выведенных кембриков 28 перекрывается с помощью зажимов или фторопластовых пробок не поаэано), Крышка 13 и днище 5 50 держателя образца 1, хладопровод 6 и радиатор 16 выполнены, например, из моди, а переходник 21 - например, из нержавеющей стали, Кожух 7 и корпус 15 теплооб:,енника выполнены из пенопласта. Отверстие 55 11 в крышке 13 держателя открывается через аэоотвпую тр;Оку 29, выполи ккую, .например, кз фтор".;ласта.Исследуемый образец 4 закрепляют вднище 5 камеры и закрывают крышкой 13, Всю систему в собранном виде. включая40 45 50 кожух 7 и теплообменник, спускают в емкость 2 и через заливную тсубку (не показана) заполняют криоагентом 3 так, чтобыверх теплсизслирующего кожуха 7 был наодном уровне с верхним кргел емкости 2,При охлаждении все гаэсотвсдные каналы24 - 27, вклочая центральную трубку 29,открыты, что обеспечивает продувку паровкриоагента через камеру. Благодаря хорошей теплспрсводнс"1 и материала хладопровода 6, радиатора 16 и полногозаполнения геплосбменника риоагентом 3образец 4 охлаждается дс температуры,бл;лзксй к температуре хрисагента 3. Причем температура образца 4 стабильна, поскольку при плавающей системе испарениекриоагента 3 и понижение его уровня неприводит к изменее ию расстояния леждукриоаген гсм 3 и исследуемым образцом 4.При нагреве образца 4 для полученияболее высоких температур включают электронагреватель 9, причем закрывают газсотводную трубку 29 и часть каналов 24 - 27 взависимости ст необхсд; гсй скорости нагрева образца 4. Нижняя часть радлатора 16имеет температуру криоагента 3, а температура образца 4 оп-еделя.тся слсщнсстъюнагревателя 9, тсплсвс:. сопротивлениемхлядспровода 6, радиатора 16, переходника21, а также газовой подушкой, образованной эа счет парса криоагента 3 в полоститеплообменниа,Г Для изменения диапазона скорости нагрева образца 4 меняют соотношения жидкого и газообразного криоагента 3 втеплсобменни;е, перекрьгвая.тот или инойиэ каналов 24 - 27.Для достижения больших скоростей нагрева (около 4 К/с) закрывают все каналы,кроме канала 26, находящегося у основаниявнутренней полости корпуса 15 теплообменника, при этом газообразная подушказанимает ьнутренний объем корпуса 15 теплообменника и радиатор 16 полностью находится в парах крисагента.Для достижения малых скоростей нагрева (до 0,6 К/с) открывают один иэ верхних каналов 25 или 27 и тем самым получаютминимальный объем газовой подушки вовнутренней полости корпуса 15 теплообменника.Для получения скоростей нагрева меньше чем 0,6 К/с и для стабилизации температуры испсльзу:э, внеший регулятортемпературы и,,эн),Охлаждение исследуемого объекта производится при выключенном нагревателе 9.В зависимости от тоо. на каком уровне открыт канал в теплообменнике, можно ускорать или зямеплять охлаждение объекта 4. 5 10 20 25 30 35 Наличие теплосбменника, корпус котооого выполнен иэ глатериала, идентичного материалу кожуха, в виде цилиндрического стакана с куполообразной внутренней полостью и осевым отверстием, соосным отвер стию хладопровода, позволяет создать в этой полости заполненный парами криоагента объем, в котором присутствуют жидкий криоагент и его пары, образующиеся в результате испарения криоагента, Радизтор. расположенный в полости теплообленника, переходник и хладрпровод обеспечивают теплообмен криоагент - образец - коиоа гент.Наличие теплообменника обеспечивает отрыв радиатора от жидкого криоагента за счет того, что при включении электронагревателя давление паров криоагента в куполообразной полости теплосбменника увеличивается. По мере увеличения объема, занимаемого парами криоагента, расстояние между криоагенгом и радиатором увеличивается - это предотвращает бурное кипение криоагент, уменьшает тепловой поток от нагретого держателя к радиатору, и таким образом для достижения заданных скоростей нагрева подаваемая мощность может быть снижена.Наличие сквозных соосных каналов в кожухе и корпусе теплообменника, стк-,ыва ющихся на разных уровнях во внутреннюю полость теплообмеиника, позволяет регулировать сбъел газовой подушки. В зависимости от того, на каком уровне открыт канал, осушествляется отток наопившегося газа в атмосферу и тем самым увеличивается или уменьшается объем газа в полости и приближается или удаляется радиатор ст хладагента, что позволяет варьировать скорости нагрева образца. Отток излишек газа предотвращает выход пузырей из-под теплообменника криостата, что исключает его вибрацию.Использование усеченного конусообразного радиатора, обращенного стороной большего диаметра к криоагенту, состыкованного с хладопроводом через прсходник,изготовленный иэ материала с ксзффициентом теплопроводности, меньшим, чем материал радиатора и хладопровода, позволяет увеличить тепловое сопротивление системы радиатор - переходник - хладопровод к.приводит к уменьшению оттока тепла от держателя к хладаген 1 у (прямая связь). В то же ьре ля изгсто;,г;.ние радиатора из тос и:г латсриалд, что и хл".дспрсисд. дэе г всзлГ" ность запастись холодом и осуществлять обратную связь при нагреве или охлаждении образца, Этому же способствует и выполнение радиатора в виде усеченного конуса.1707 л 61 Составитель И, ЗабалинаРедактор О.Юрковецкая Техред М,Моргентэл Корректор С, Черни Заказ 2 ОО раж ВНИИПИ Государственного ксмите а по изобрелелям и О 1 ры .мь р.1 " ,-Л СС Р 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 101 Кроме того, наличие радиатора в теплообменнике при изменении соотношения обьемов теплообменного газа и хладагента в нем позволяет получить широкий диапазон скоростей нагрева от 0,01 до 4 К/с. 1 нижний предел скоростей нагрева (0,01 К/с) реализуется, когда теплообменник максимально заполнен хладагентом, при этом радиатор практически целиком находится в криоагенте. Верхний предел скоростей нагрева (4 К/с) реализуется, когда теюообменник заполнен газовой подушкой, при этом отток крепла от хладопровода к хлэдагенту уменьшается, Таим образом, нал.лчие радиатора приводит к изменени 1 о плоиади отвода .епла, что обеспечивает эффект.,- ность регулировки скоростей в коиостате.Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволяет; сократить расход хладзгента, так как при реализации высоких температур нет непосредственного контакла теплообменных элементов криостгта 1,радиатор, переходник) с криоагентом, а лишь с его более, теплыми парами; исключить вибраци 1 о за счет наличия сквозных соосных отверстий в кожухе и корпусе теплообменника; достигнуть скорость нагрева больше 1 К/с при той же, что и у прототипа, мощи. ти нагрева за счет наличия дополнитольно введенных теплообменника, переходника, радиатора, сквозных соосных Отверстий в кожухе и корпусе теплообменника; достигнуть линейного изменения температуры от времени при скоростях изменения температуры, больших 0,6 К/с.Формул а и з обре те н и я Криостат, содержащий емкость для жидкого криоагента, установленньй в ней с возможностью расположения на поверхности жидкого криоагента теплоизолированный кожух с металлической оболочкой,заключен 1 ыэ в ного держатель образца, Оыполненнь: о ьчлдо по гой камеры со сквозными отверстиями в крышке и дни 1 це для ПРОХОДа ПЛООВ КгИаГЕНта, ПРИКРСПЛЕННЫй 5 1. днищу камеры хладопровод с осевым канало:л, соосным с отверстием в днище камеры, злектронагреаатель, располх;енный на хладспроводе под днищем камерь. о т л и ча ю щ и й с я тем, что, с целью снижения 10 расхода криоагента и расширения диапазона регулирования скорости изменения темперэтуры, криостат снабжен тс 1 лообменн 1 лком, содержащим корпус и Рад"втор, 1 ри зто 1 л корпус выполнен в виде 15 цилиндрического стакана с обечайко,л и устои клен так, что дн 1 лц" его 1 лм.".т теплопол контакт с кожухом, а горловина расположена нюке предполагаемого уровня криоаген, та в емкости, 1 рича стакан и обечайка 20 выполнены из материала, идентичного соответственно матсриапу кожуха и оболочки, внутрення 1101 ерхность стакана имест куполообразн, ю форму, ч а дни.це его выполнено осевое Отверстие, а радиатор 25 выпол 11 ен в влде усеченного конуса, обраще 1 гного мень чм Основанием к днищу стаКЗНа, уКрЕПЛ;,Н З ухаЗаННОМ ОтВ:.рС;Ил В дни.це поспеднс о н соеи 1 ен черн. переходник с хладопроводом, ,р 1 чем пе.,еход ник и радиатор и 1 еют канала, соосн 1 еканалом в хладопр; воде, а в корпусе и в кожухе выполнено по меньшей мере по два сквозных соосн 1 лх 1 знала дл 11 регулируемого вывода паров криоа;ента из полссти ста кана, выходныс участки которь 1 храсположены на внутрсннай поверхности стакана на разном уровне, при этом радиатор, хладопоовод и держатель Образца выпалнсны из идентичных материалов с 40 высоким коэффициентом теплопроводности, а переходник - из материала с более низким козффи.кентом теплопроводности.