Криостат - Cryostat

НАСА с Инфракрасный прибор WISE охлаждается криостатом. Криостат можно увидеть в верхней части космического корабля.

А криостат (из крио означает холод и стат означает стабильный) - это устройство, используемое для поддержания низкого уровня криогенный температуры образцов или устройств, установленных внутри криостата. Низкие температуры могут поддерживаться в криостате с помощью различных методов охлаждения, чаще всего с использованием криогенной ванны с жидкостью, такой как жидкий гелий.^[1] Поэтому его обычно собирают в сосуд, похожий по конструкции на термос или же Дьюар. Криостаты находят множество применений в науке, технике и медицине.

Типы

Неметаллический криостат с поворотной ванной для жидкого азота

Криостаты замкнутого цикла

Криостаты замкнутого цикла состоят из камеры, через которую прокачиваются холодные пары гелия. Внешний механический холодильник извлекает более теплые выхлопные пары гелия, которые охлаждают и рециркулируют. Криостаты замкнутого цикла потребляют относительно большое количество электроэнергии, но не нуждаются в дозаправке гелием и могут работать непрерывно в течение неопределенного периода времени. Объекты можно охлаждать, прикрепляя их к металлической охлаждающей пластине внутри вакуумной камеры, которая находится в тепловом контакте с камерой паров гелия.

Криостаты непрерывного действия

Криостаты непрерывного действия охлаждаются жидкими криогенами (обычно жидким гелием или азотом) из хранилища Дьюара. Когда криоген закипает внутри криостата, он постоянно пополняется постоянным потоком из хранилища Дьюара. Контроль температуры образца внутри криостата обычно осуществляется путем регулирования расхода криогена в криостат вместе с нагревательной проволокой, прикрепленной к Контур ПИД-регулирования температуры. Продолжительность времени, в течение которого может поддерживаться охлаждение, определяется доступным объемом криогенов.

Из-за нехватки жидкого гелия в некоторых лабораториях есть оборудование для улавливания и извлечения гелия, когда он выходит из криостата, хотя эти установки также дороги в эксплуатации.

Криостаты для ванны

Банные криостаты по конструкции аналогичны термосы заполнен жидким гелием. Холодная пластина находится в тепловом контакте с ванной с жидким гелием. Жидкий гелий можно пополнять по мере его выкипания с интервалом от нескольких часов до нескольких месяцев, в зависимости от объема и конструкции криостата. Скорость кипения сводится к минимуму за счет экранирования ванны либо холодными парами гелия, либо вакуумным экраном со стенками, изготовленными из так называемого сверхизолирующего материала. Пар гелия, который выкипает вдали от ванны, очень эффективно охлаждает тепловые экраны вокруг ванны. В более старых конструкциях может быть дополнительная ванна с жидким азотом или несколько концентрических слоев экранирования с постепенно повышающейся температурой. Однако изобретение супер изоляторов сделало эту технологию устаревшей.

Многоступенчатые криостаты

Для достижения температуры ниже, чем у жидкого гелия, к криостату могут быть добавлены дополнительные ступени охлаждения. Температуры до 1K можно достичь, прикрепив охлаждающую пластину к 1-к горшок, представляющий собой контейнер с изотопом He-3, подключенный к вакуумному насосу. Температуры до 1 мК можно достичь, используя холодильник для разбавления или же холодильник для сухого разведения обычно в дополнение к основной ступени и горшку 1 К. Температуры ниже этого могут быть достигнуты с помощью магнитное охлаждение.

Приложения

Магнитно-резонансная томография и исследовательские типы магнитов

Криостаты, используемые в МРТ машины предназначены для хранения криоген обычно гелий, в жидком состоянии с минимальным испарением (выкипанием). Ванна с жидким гелием предназначена для сверхпроводящий магнит шпулька из сверхпроводящий провод в сверхпроводящем состоянии. В этом состоянии провод не имеет электрического сопротивления, и очень большие токи поддерживаются при малой потребляемой мощности. Для поддержания сверхпроводимости шпулька должна находиться ниже ее температура перехода погружаясь в жидкий гелий. Если по какой-либо причине провод становится резистивным, то есть теряет сверхпроводимость, состояние, известное как "утолить "жидкий гелий испаряется, мгновенно повышая давление в сосуде. A разрывной диск Гелий, обычно сделанный из углерода, помещается в дымоход или вентиляционную трубу, так что во время скачка давления газообразный гелий может быть безопасно удален из модуля МРТ. Современные криостаты МРТ используют механический холодильник (криокулер ) для повторной конденсации газообразного гелия и возврата его в ванну для поддержания криогенных условий и сохранения гелия.

Обычно криостаты изготавливаются с двумя сосудами, расположенными один внутри другого. Внешний сосуд откачивается с помощью вакуума, действующего как теплоизолятор. Внутренний сосуд содержит криоген и поддерживается внутри внешнего сосуда конструкциями, сделанными из материалов с низкой проводимостью. Промежуточный экран между внешним и внутренним сосудами задерживает тепло, излучаемое внешним сосудом. Это тепло отводится криокулером. Старые гелиевые криостаты использовали жидкий азот сосуд в качестве этой радиационной защиты и имел жидкий гелий во внутреннем, третьем сосуде. В настоящее время производится несколько установок, использующих несколько криогенов, и наблюдается тенденция к созданию криостатов, не содержащих криогенов, в которых все тепловые нагрузки снимаются с помощью криохладителей.

Тип биологического микротома

Криостат-микротом

Криостаты используются в медицине для вырезания гистологических препаратов. Обычно они используются в процессе, называемом гистологией замороженных срезов (см. Процедура замороженного сечения ). Криостат - это, по сути, ультратонкий "гастроном", называется микротом, поместите в морозильную камеру. Криостат обычно представляет собой стационарный вертикальный морозильник с внешним колесом для вращения микротома. Температура может варьироваться в зависимости от разрезаемой ткани, обычно от минус 20 до минус 30 градусов по Цельсию. Морозильник работает либо от электричества, либо от хладагента, такого как жидкий азот. Доступны небольшие портативные криостаты, которые могут работать от генераторов или автомобильных инверторов. Чтобы свести к минимуму ненужное нагревание, все необходимые механические движения микротома могут быть выполнены вручную с помощью колеса, установленного вне камеры. В новых микротомах используется электрическая кнопка для перемещения ткани. Точность резки в микрометрах. Тонкие срезы ткани составляют 1 микрометр. Стандартные слайды для гистологии имеют толщину около 7 микрометров. Мягкие при комнатной температуре образцы помещают на режущую среду (часто из яичного белка) на металлический патрон и замораживают до температуры резки (например, при -20 ° C). После замораживания образец на патроне устанавливается на микротом. Кривошип вращается, и образец продвигается к режущему диску. После того, как образец разрезается до удовлетворительного качества, его устанавливают на теплое (комнатной температуры) прозрачное предметное стекло, где он мгновенно расплавляется и прилипает. Стеклянное предметное стекло и образец сушат сушилкой или сушат на воздухе и окрашивают. Весь процесс от установки до считывания слайда занимает от 10 до 20 минут, что позволяет оперативно диагностировать хирургическое удаление рака в операционной. Криостат можно использовать для гистологического исследования и тканевого слайда (например, для определения локализации фермента) вне медицины, но качество среза низкое по сравнению со стандартным фиксированным срезом для гистологии, закрепленной воском. В более новой технологии, такой как Compresstome, тип вибрирующего микротома, используется заделка ткани агарозы вместо смеси с оптимальной температурой резания, что устраняет необходимость в традиционном замораживании криостатом и может использоваться для получения срезов улучшенного качества.^[2]

Смотрите также

Холодильник лямбда-точки