Криостат

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН И 9) (1 00, О 05 Э 27/ 15 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ся к криоге использован аждения пр приборов торско-технологиехническогмператур АНОрейнич, пкий и В.И УССР еличить репечения стабипьност пературы. енный внутри горловине 2 ков,а тельство СС С 3/00, 198 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Особое констру ческое бвро Физико- института низких те (72) Ф.Ф,Иенде, В.И О.Д.Передрий, А.А.Ч (53) 66.052-12(088, (56) Авторское свид У 1180640, кл. Р 17(57) Изобретение относитной технике, может бытьдля домовременного охлзионных сйерхпроводящихустройств и позволяет увсурс работы за счет обесвысокой и долговременнойподдержания заданной темКриостат содержит подвешкорпуса 1 на сильфонной1383045 де - с заливочно-випарным гелиевимпатрубком 10, установленным на верхней части корпуса 1. Пространствомежду корпусом 1 и радиационными ,эк ранами 7 заполнено экранно-вакуумнойтеплоизоляцией 11, выполненной ввидеслоев алюминизированной полиэтилентерофталатной перфорированной пленки,.Вакуумирование криостата осуществля ется через откачной вентиль 12,расположенный на верхней части корпуса 1. С верхней частью горловины 2вентиль 13 соединен посредствомтрубки 14, укрепленной во фланце 15,вакуум-плотно соединенном с горловиной 2, К трубке 14 подсоединены соединенные в кольцо регулируемый электромагнитный датчик 16 давления,блок 17 регулирования давления паров .20 гелия в горловине 2 и регулирующийэлектродинамический вентиль 13, подключенный к газгольдеру не показан).Блок 14 регулирования давления паров гелия в горловине 2 состоит изусилителя 18 переменного тока, синхронного детектора 19 и усилителя 20мощности. В горловине 2 размещен тер"мочувствительный элемент 21, соеди",ненный через блок 22 регулированияуровня жидкого гелия в горловине 2с дополнительным регулирующим вентилем 23, также подключенным к газгольдеру, Вентиль 23, кроме того, подсоединен к заливочно-випарному гелие вому,патрубку 1 О. При этом термочув ствительный элемент 21 выполнен ввиде термосопротивления, включенногов одно из плеч измерительного моста24 переменного тока. Последний под ключен к входу усилителя 25 переменКриостат содержит вакуумируемый герметичный корпус 1, внутри которого подвешен на сильАонной горловине 2 цилиндрический гелневий сосуд 3. Последний выполнен в виде размещенных одна в другой камер 4 и 5. Горловина 2 размещена внутри камеры 5 на расстоянии от ее стенок. Кроме того, горловина 2 прикреплена своей нижней частью к днищу камеры 5 и сообщена с внешней камерой 4 с помощью отверстия 6, расположенного по вертикальной оси криостата на границе соединения горловины с днищем камеры 5. Гелиевий сосуд 3 окружен шестью коаксиально расположенними радиационными экранами 7 со змеевиком теплообменником 8 из сплющенной труб-. ки.Верхние части 9 всех радиационных экранов 7 последовательно соединены расположенным по всей их поверхности змеевиковым теплообменником 8,Последний соединен на входе с верхней частью внешней камеры 4, а на выхо-:,цилиндрический гелиевый сосуд 3, который выполнен в виде размещенных одна в другой камер 4,5, теплообменник8, соединенный на входе с верхнейчастью камеры 4, а на виходе - с заливочно-випарным гелиевым патрубком10, трубку 14, соединенную с горловиной, к которой. подсоединен датчик16 давления, соединенный посредством Изобретение относится к криогенной технике, в частности к устройствам для стабилизации низких температур, т.е. к криостату, может битьиспользовано для долговременногоохлаждения прецизионных сверхпроводящих приборов и устройств и являетсяусовершенствованием изобретения поавт. св, Р 1180640,Цель изобретения - увеличение ресурса работы за счет обеспечениявысокой и долговременной стабильнос-ти поддержания заданной температуры.На чертеже представлена блоксхема криостата,схемы 17 регулирования давления паровгелия в горловине 2 с вентилем 13,подключенным к газгольдеру, и термочувствительний элемент 21, располо-.женный в горловине 2 и соединенныйсхемой 22 регулирования уровня жидкого гелия в горловине 2 с вентилем 23,подсоединенным к заливочно-выпарномупатрубку 101 ил.ного тока, последовательно соединенного с синхронным детектором 26 иусилителем 27 мощности.К диагонали питания измерительно 5го моста 24 подключен одним из выходов генератор 28 опорного напряжения,другие выходы которого подключены кдатчику 16 давления и к управляющимвходам синхронных детекторов 19 и 26.10Измерительный мост 24, усилитель25 переменного тока, синхронный детектор 26 и усилитель 27 мощностивходит в состав управляющего блока22 регулирования уровня в горловине.15Криостат работает следующим образом.Предположим, что охлаждаемый объект, например сверхпроводящий СВЧрезонатор, должен быть полностью 20погружен в жидкий гелий и требуетсяпроведение прецизионных низкотемпературных исследований в интервалетемператур гелиевого диапазона (4,22,3 К),25В горловине 2 устанавливается на,заданном уровне охлаждаемий объекти термосопротивление 21. После этогогорловина герметизируется с помощьюфланца 15, и в криостат заливается 30жидкий гелий так, что охлаждаемыйобъект оказывается полностью погруженным в жидкий гелий. А термосопротивление 21 располагается вблизи поверхности жидкого гелия (на расстоянии 2-5 мм от уровня жидкого гелия вгорловине 2).Расположение в криостате термосопротивления 21 выше желаемого уров ня жидкого гелия, но в непосредственной близости с ним позволяет реагировать на малейшие измененияуровня жидкого гелия в горловине 2.После непродолжительного перехОДНОГО 45процесса с помощью электромагннтногодатчика 16 давления устанавливаетсязаданное давление Р, в горловине 2,которому соответствует заданная рабочая температура Т, охлаждаемого50объекта:оо Р 2 4)о2 макс где 6 Р - необходимое превышение давления в горловине 2;. р - плотность жидкого гелия; Ра - давление в газгольдере;Ь - максимальный уровень жидко 2 максго гелия в камере 4;Ь, - заданный рабочий. уровень .жидкого гелия в горловине 2;6 Р, - возможные колебания давления в газгольдере,т.е. датчиком 16 давления задаетсядавление такой величины, чтобы давление в горловине 2 превышало статическое давление столба жидкого гелИяв камере 4 и возможную величину колебаний давления в газгольдере.При заданном давлении Р, в горловине 2 сигнал на выходе датчика 16давления отсутствует. При отклонениидавления в горловине 2 от заданногозначения на выходе датчика 16 давления появляется сигнал, амплитуда,которого пропорциональна величинеотклонения давления, а фаза зависитот знака отклонения давления в датчике 16 и от заданного, Этот сигналусиливается усилителем 18 и поступаетна вход синхронного детектора 19.На выходе последнего выделяется сигнал постоянного тока, пропорциональный отклонению давления паров гелияв горловине 2 от заданного Р которыйпоступает на усилитель 20 мощности.С выхода последнего сигнал поступаетна вход вентиля 13, проходное сечениекоторого изменяется, изменяя расходпаров гелия в линии, соединяющей горловину 2.и электродинамический вентиль 13. Таким образом, за счет замкнутой системы регулирования и стаби-.лизации давления паров, состоящейиз элементов 14,1618 - 20 и 13 удается поддерживать заданным давлениемпаров гелия в горловине 2. Например,при увеличении давления в горловине2 относительно заданного значения Р,вырабатывается блоком 17 рЕгулировкидавления паров гелия сигнал, увеличивающий проходное сечение вентиля 13,вследствие чего увеличивается расходпаров гелия, и давление в горловине2 уменьшается до заданного.В предлагаемом криостате, поскольку горловина 2 и камера 4 являются сообщающимися сосудами, установившиеся уровни жидкого гелия в горловине 2 Ь, и в камере 4 Ь зависят от разности давлений паров в горловине 2 и камере 4, т.е.где Ь и Ь - уровни жидкого гелия вгорловине 2 и камере 4 соответственно;р - плотность жидкого гелия;Р, и Р - давление паров гелия вгорловине 2 и камере 4 соответственно.При этом в зависимости от общего 10 количества жидкого гелия в криостате и от выбранного рабочего уровня жидкого гелия в горловине 2 давление Р может быть как больше (ЬЬ,), так и меньше Р (ЬЬ,), поэтому Р 15 необходимо устанавливать из условия (1).Однако заданная температура Т;охлаждаемого объекта даже при постоянстве заданного давления Р паров ге лия в горловине 2 изменяется и за счет изменения с течением времени заданного уровня жидкого гелия в горловине 2 в силу его неизбежного выкипанияПри этом изменение уровня жидко го гелия в горловине 2 приводит к изменению теплообмена между криогенной средой (газ, жидкость) и элементами подвески охлаждаемого объекта, что также влечет за собой изменение тем-. пературы охлаждаемого объекта. При заданной температуре Т, охлаждаемого объекта термосопротинление 21 Вт находится тоже при определенной температуре,соответствующей балансировке измерительного моста 24, входящего в состав управляющего блока 22 регулирования уровня. Изменение уровня жидкого гелия в горловине 2 приводит к изменению сопротивления термосопротивления 21 и, как следствие, к разбалансировке моста 24, т,е. и блоке 22 регулирования уровня появляется сигнал отклонения уровня жидкого гелия от заданного, управляюпрй работой электродинамического вентиля 23,45 подключенного к.заливочно-выпарному гелиевому патрубку 10.Проходное сечение вентиля 23 изменяется, расход паров гелия из внешней камеры 4 изменяется, приводя к изменению давления паров гелия в ней. При этом изменяется уровень гелия во внешней камере 4, приводящей к изме" нению уровня жидкого гелия в горловине 2 в силу того, что горловина 2 и внешняя камера 4 являются,сообщающимися сосудами. Этот процесс происходит да тех пор, пока уровень жидкого гелия н горловине 2 не изменяетсянастолько; что температура термосопротивления 21 достигает прежнегозначения. А так как давление паровгелия в горловине 2 остается постоянным, то регулировка уровня жидкогогелия в горловине 2 осуществляетсяпосредством изменения давления паровгелия н камере 4, Например, при повышении температуры термосопротивления21 за счет уменьшения уровня жидкогогелия в горловине 2 проходное сечение электродинамического вентиля 23уменьшается, расход паров гелия изкамеры 4 уменьшается, давление паровн камере 4 увели .ивается. При этомуронень жидкого гелия в камере 4(Ь ) понижается, а уровень жидкогогелия в горловине 2 (и,) повышается.Это приводит к понижению температурытермосопротивления 21 до прежнегозначения.Включение термосопротивления 21 визмерительный мост 24 позволяет выработать сигнал отклонения уровня жидкого гелия от заданного значения,который усиливается усилителем 25переменного тока и поступает на входсинхронного детектора 26, Сигналпостоянного тока, пропорциональныйсигналу разбаланса моста 24, с выхода синхронного детектора 26 поступаетна усилитель 27 мощности, а затем навход вентиля 23, приводящего кизменению давления паров во внешнейкамере 4,Таким образом, наличие в предлагаемом криостате взаимосвязанных систем автоматического регулирования истабилизации данления паров гелия вгорловине 2 и уровня жидкого гелия вней позволяет увеличить ресурс егоработы путем обеспечения высокойдолговременной стабильности поддержания заданной температуры охлаждаемого объекта, в особенности, протяженного по вертикали объекта, за счетодновременной точной компенсациивозможных отклонений с течением времени давления паров и уровня жидкогогелия в горловине 2 от заданных величин,Предлагаемый криостат позволяетпроводить исследования и широкоминтервале температур, н частности, ив случае нежелательности нахожденияисследуемого объекта н жидком гелии.Однако н силу наличия очень высокого1 аказ 1277/32 Тираж 448 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раунская наб д.4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4 градиента температуры по высоте горловины вне гелиевого. объема стабильность поддержания заданной температуры исследуемого объекта ниже, чемв описанном случае, а термосопротивление 21 располагается рядом с исследуемым объектом или крепится прямо,на нем.Формула изобретения 10 Криостат по авт.св. В 1180640, о т л и ч а в щ и й с я тем, что, с цельв увеличения ресурса работы за счет обеспечения высокой и долговременной стабильности поддержания заданной температуры, он дополнитель"но содержит датчик давления паровгелия в горловине криостата с блокомрегулирования, термочувствительныйэлемент, размео 1 енный в горловине,второй вентиль, подсоединенный к заливочно-выпарному гелиевому патрубку,и блок регулирования уровня жидкогогелия в горловине, при этом блок регулирования давления паров гелия вгорловине криостата соединен с первымвентилем, а термочувствительныйэлемент соединен последовательно с.блоком регулирования уровня жидкогогелия в горловине.