Криостат

(19) (11) 3(51) Г 17 С 25 0 3 10 г ИЗОБРЕТЕНИЯ ПИСА ЕЛЬСТВ ВтоРсному св укторско-тех-.ого физикоАн УССР 23 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Специальное констрнологическое бюро Донецктехнического института(56) 1. Авторское свидетельство СССРУ 554454, кл, Г 25 0 3/1 О, 1973,2. Журнал ПТЭ, 1980, В 5, с.2378(54)(57)1,КРИОСТАТ, содержащий гелие вую ванну, промежуточную камеру, сообщаюущюся с гелиевой ванной посредством вентиля и с трубопроводом сбора газа,и рабочую камеру с охлаждаемым объектом, о т л и ч а ю щ и й -с я тем, что, с целью повышения стабильности температуры в рабочей камере при непрерывном криостатировании объекта, промежуточная и рабочая камеры соединены посредством трубопровода жидкого гелия с вентилем,рабочая камера выполнена теплоизолированной от промежуточной камеры исообщена с трубопроводом сбора газа.2. Крностат по и.1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что промежуточнаяи рабочая камеры сообщены с трубопроводом сбора газа через регуляторыдавления,92 35 50 55 1 10766Изобретение относится к криогенной технике, в частности к конструкции криостатов, и может быть использовано для регулирования и стабилизации температуры, для непрерывногоподдержания постояной температуры сточностью 10 ЗК в сочетании с поддержанием постоянного уровня жидкого гелия в ванне.Известен криостат с автоматическим 10поддержанием уровня в камере с охлаждаемым объектом, содержащий наружную емкостьи внутреннюю для храненияхладагента, сообщающуюся с атмосферойчерез регулятор давления. Цнлиндричесакая камеравнутренняя и наружная оболочки в рабочем состоянии образуютгидрозатвор между паровой полостьювнутренней оболочки и атмосферой 1.11,Давление в паровой полости периогдически меняется при барботированиипаров через столб жидкого хладагентав гидрозатворе. Это приводит к колебаниям температуры жидкости, которыескладываются с суточными изменениямитемпературы, вызываемыми изменениямиатмосферного давления. Таким образом,длительное поддрежание стабильнойтемпературы в известном устройственевозможно.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является кростат, содержащий гелиевую ванну -наружный гелиевый дьюар, служащийдля хранения жидкого. гелия и соединенный с атмосферой трубопроводомсбора газа. В нижней части гелиевойванны расположен двустенный двухкамерный сосуд. Верхняя промежуточнаякамера отделена от нижней рабочей камеры сплошной медной перегородкой и 40сообщена с гелиевой ванной посредством вентиля и с трубопроводом сбора газа, Рабочая камера содержит охлаждаемый объект, выполнена беэ днаи сообщена с гелиевой ванной. Указанный гелиевый криостат позволяетподдерживать температуру ниже 4,2 Кто нос ю 1 ОК Р,Однако свободное сообщение рабочей камеры с гелиевой ванной ограничивает стабильность температуры достигаемую в этой конструкции, ниже 4,2 К. Произвести стабилизацию температуры в рабочей камере вьппе температуры кипения жидкого гелия в ванне невозможно, так как жидкий гелий в рабочей камере будет находиться в перегретом. состоянии. Тепловыделения на образце приведут к бурному парообразованию и выдавливаниюжидкости из камеры, что вызовет повышение температуры образца и нарушитее стабильность.Цель изобретения - повышение стабильности температуры в рабочей камере при непрерывном криостатировании объектов.Поставленная. цель достигаетсятем, что в криостате, содержащемгелиевую ванну, промежуточную камеру, сообщающуюся с гелиевой ванной посредством вентиля и с трубопроводом сбора газа, и рабочую камеру с охлаждаемым объектом, промежуточная и рабочая камеры соединеныпосредством трубопровода жидкого гелия с вентилем, рабочая камера выполнена теплоизолированной от промежуточной камеры и сообщена с трубопроводом сбора газа,Кроме того, промежуточная и рабочая камеры сообщены с трубопроводом сбора газа через регуляторы давления.На чертеже изображен предлагаемый.криостат, общий вид.Криостат содержит гелиевую ванну 1с вентилем 2, установленным в нижнейчасти ванны, трубку 3, соединяющуюгелиевую ванну 1 с промежуточной гелиевой камерой 4, размещенной под гелиевой ванной 1 Промежуточная камера4 снабжена регулировочным вентилем 5и черезтрубку 6 сообщена с рабочей камерой 7, установленной концентричнопромежуточной камере 4, В рабочей камере 7 размещен охлаждаемый объект 8.Гелиевая ванна 1, промежуточная 4и рабочая 7 камеры соединены с трубопроводом сбора газа (не показан )трубками 9-11 для выхода паров гелия,На трубках 9-11 установлены регуля"торы 12-14 давления и эапорные вентили 15-17. Криостат счабжен радиационными экранами 18-20 и вакуумнымкожухом 21, Рабочая камера 7 теплоизолирована от промежуточной камеры4 и гелиевой ванны 1 вакуумом (тепловой изоляцией ). Вентиль 2 и регулировочный вентиль 5 снабжены штоками22 и 23 управления вентилями, которые выведены на крышку криостата ивыполнены съемными. Кристат работает следующим образом,Охлаждаемый объект 8 размещают в рабочей камере 7, Гелиевую ванну 11076692 20 3через переливной сифон 1 не показан/подсоединяют к .транспортному сосуду с жидким ге,нем и производят предварительное захолаживание путем продувки паров гелия с последующей заливкой гелия, При эахолаживания криостата открыты запорный вентиль 17, .вентиль 2 и регулировочный вентиль 5а эапорные вентили 15 и .16 закрытыи пары гелия последовательно проходят через гелиевую ванну 1, трубку3, промежуточную камеру 4, трубку 6,рабочую камеру 7, трубку 11 и черезвентиль 17 отводится в трубопроводсбора газа (,или в атмосферу 1. Послетого, как охлаждаемый объект 8 достигнет температуры около 80 К, а радиационный экран 18 около 100 К, открывают запорные вентили 15 и 16, втранспортном сосуде поднимают давление и заполняют гелиевую ванну 1жидким гелием, Во время заполнениягелиевой ванны 1 хладагент (жидкийгелий )через вентиль 2 и трубку 3поступает в:промежуточную камеру 4,испаряется и его пары продолжают эахолаживать промежуточную 4 и рабочую7 с охлаждаемым объектом 8, Выдавливание жидкого хладагента иэ гелиевойванны 1 в промежуточную камеру 4 производят путем повышения давления паров в галиевой ванне 1 при закрытомзапорном вентиле 15. Регулировку давления паров при этом производят регулятором 12 давления, а избыток паров от испарившейся жидкости сбрасы- .35вают из промежуточной камеры 4 в трубопровод сбора газа через запорный вентиль 16, В процессе заполнения промежуточной камеры 4 жидкий гелий через регу 40лировочный вентиль 5 и трубку 6 попадаетв рабочую камеру 7 и продолжает охлаждать ее и охлаждаемый объект 8.После заполнения промежуточной камеры 4 жидким.хладагентом запорный . вентиль 15 открывают, авентиль 245 при помощи штока 22 закрывают. Выдавливание жидкого гелия из промежуточной камеры 4 в рабочую камеру 7 про- . изводят путем повышения давления паров в промежуточнои камере 4 прич50 закрытом запорном вентиле 16, Регулировку давления паров при этом производят регулятором 13 давления, ,: а избыток паров от испарившегося при охлаждении н заполнении рабочей 55 камеры 7 жидкого хладагента сбрасывают в трубопровод сбора газа через. запорный вентиль 11. После заполнения рабочей камеры7 до заданного уровня криостат приготовлен к переводу в рабочий режим стабилизации температуры, который осуществляется поддержанием постоянного давления регулятором 14 давления и постоянного уровня жидкогогелия в рабочей камере 7, Уровеньжидкого гелия стабилизируется непрерывной подачей его иэ промежуточной камеры 4 через регулировочныйвентиль 5 и трубку 6 в рабочую камеру 7 .за счет перепада давления между гелиевой емкостью 4 и рабочейкамерой 7, Жидкий гелий проходит.регулировочный вентиль 5, дросселируется и приобретает температурутакую же, как и жидкий гелий в рабочей камере 7,Таким образом, непрерывная подачажидкого хладагента не влияет на стабильность температуры в рабочей камере 7Для стабилизации температуры врабочей камере 7 в жидком гелии установлен датчик температуры (не показан ), который включен в цепь обратной связи регулятора 14 давления.Для поддержания постоянного уровняжидкого гелия в рабочей камере 1 установлен датчик уровня (не показан ,который включен в цепь обратной связи регулятора 13 давления. При снижении (повышенииуровня хладагентав рабочей камере 7 регулятор Э давления повышает (понижаетдавление впромежуточной камере 4, подача жидкости возрастает (уменьшается )и уровень устанавливается на заданном значении.В рабочем режиме запорный вентиль17 закрыт. При стабилизации температуры жидкого гелия на уровне 4,2 К регулятор 14 давления настраивают надавление, которое выше любого возможного в трубопроводе сбора газа, Такая настройка регулятора 4 давленияисключает влияние изменений давленияв трубопроводе сбора газа на давление в рабочей камере 7. Регулировоч,ный вентиль 5 устанавливают в положение, обеспечивающее перепад давлений"1,5 .10 ИПа между промежуточной 4 ирабочей 7 камерами при необходимомрасходе, который определяется по тепловыделениям на охлаждаемом объекте8. Регулятор 13 давления настраиваютна давление, которое выше двления врабочей камере 7 на1,51 КИПа, иподдерживают уровень жидкости в ра1076692 бочей камере 7 постоянным эа счет непрерывной подачи жидкого гелия иэ промежуточной камеры 4. В рабочем режиме температура в рабочей камере 7 поддерживается постоянной с точностью г 5.10"5 К в течение всего заданного времени работы.Если стабилизируется некоторая температура ниже 4,2 К, то регулятор 14 давления настраивают на соответствующее давление паров гелия и включают в линию откачки вакуумного насоса (не показан ), эадатчик регулятора 13 давления устанавливают несколько выше любого возможного в трубопроводе сбора газа давления и вентилем 5 подбирают такой расход, чтобы уровень жидкого-хладагента в рабочей камере 7 оставался постоянным,При снижении уровня жидкого хлад- агента в промежуточной камере 4 до некоторого минимального за счет непрерывной его подачи в рабочую камеру 7 и испарения в промежуточную камеру 4 периодически подают хлад- агент из гелиевой ванны 1. Гелиевую ванну 1 заполняют жидким хладагентом из транспортного сосуда при открытом запорном вентиле. 15 и закрытом вентиле 2, затем закрывают запорный вентиль 15, регулятором 12 давления сА- дают перепад давлений " 1 .10 ЗМПа между гелиевой ванной 1 и промужточной камерой 4, открывают для подпиткивентиль 2.По достижении максимального необходимого уровня жидкости в промежуточной камере 4 вентиль 2 закрываютзапорный вентиль 15 открывают, криостат находится в исходном рабочем состоянии, Периодичность операций дляподпитки промежуточной камеры 4 зависиг от тепловыделений на охлаждаемом объекте 8.Таким образом, применение предлагаемого криостата обеспечивает непрерывное криостатирование объектов приподдержании постоянной температуры с-5точностью 10 .- 10 К, а такжеп зволяет улучшить стабильность тема-Юпературы до 10 - 10 К, Это достигается благодаря исключению непосредственной связи рабочей камеры сгелиевой ванной, в которую производят подлив жидкого гелия. Кроме того,при использовании предлагаемогокриостата расширяется диапазон рабочих температур 1,измерения можнопроизводить выше 4,2 К ), Эта возможность обеспечивается отсутствиемконтакта между рабочей камерой ипромежуточной гелиевой емкостью. При 30 этом обеспечивается практически неограниченный ресурс работы со стабильной температурой, так как температура в рабочей камере при подливе жидкого гелия не изменяется,1076692 Составитель Г,ОльшанскаяРедактор А,Мотыль Техред М.Надь Корректор В.Бутяга одписноеСССР ка и д. 4 а к Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,16/35НИИПИ Гпо дела13035,Тираж 471 рственного комитет бретений и открыти а, Ж, Раушская