Криостат

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 источника холода (хладоагента) применяют сжиженные или отверждённые газы с низкими температурами конденсации и замерзания (азот, водород, гелий и др.). температуру помещенного в криостат объекта регулируют, изменяя давление паров над заполняющим криостат хладоагентом или подогревая пары хладоагента. Криостаты различают: по роду применяемого хладоагента (азотные, гелиевые, водородные и т. д.), по используемым для изготовления материалам (стеклянные, металлические, пластмассовые), по назначению (для радиотехнических, оптических и др. исследований, для сверхпроводящих магнитов, приёмников излучения и т. д.).

  Для криостата любого типа необходима защита его рабочего объёма от притока теплоты из окружающей среды. Чем ниже температура кипения и чем меньше теплота испарения используемого хладоагента, тем выше требования к теплоизоляции рабочих узлов криостата. В криостатах, заполняемых жидким азотом или кислородом, часто используется высоковакуумная теплоизоляция, подобно применяемой в широко известных Дьюара сосудах и бытовых термосах. Для гелиевых криостатов обычная высоковакуумная изоляция уже недостаточна. Поэтому с целью уменьшения притока лучистой энергии от наружных стенок криостата необходимо понизить их температуру, что достигается охлаждением стенок вспомогательным хладоагентом (например, жидким азотом) или установкой в теплоизоляционном пространстве защитных экранов, отражающих излучение.

  В лабораторной практике широко применяются стеклянные криостаты, они просты в изготовлении и прозрачны, что позволяет непосредственно наблюдать за ходом опыта. Гелиевый стеклянный криостат общего назначения (рис. 1) обычно состоит из 2 сосудов Дьюара, вставленных один в другой. Внутренний сосуд заполняют жидким гелием, наружный — жидким азотом. К недостаткам стеклянных криостатов относится малая механическая прочность.

  Надёжны в эксплуатации металлические криостаты, из которых наиболее универсальными являются криостаты с жидким гелием в качестве основного хладоагента. На рис. 2 приведена схема металлического гелиевого криостата с дополнительным охлаждением жидким азотом. Гелиевый объём криостата окружен со всех сторон медным экраном. В пространстве между гелиевым объёмом и кожухом создаётся глубокий вакуум, который поддерживается процессе эксплуатации с помощью адсорбента. Для компенсации температурных деформаций, возникающих между внутренними узлами и корпусом, в криостате предусмотрен сильфон. Гелиевый объём, азотная ванна и корпус криостата изготовляются из меди, нержавеющей стали или алюминиевых сплавов. Поверхности узлов криостата со стороны «вакуумного пространства» полируются для отражения теплового излучения.

  В металлических криостатах, предназначенных для оптических исследований, предусматриваются окна, а также поворотные устройства, при помощи которых можно изменять положение образца. Для охлаждения экранов гелиевых и водородных криостатов вместо жидкого азота используются пары основного хладоагента. Криостаты широко применяются в криогенной технике.

Рис. 1. Стеклянный гелиевый криостат: 1 — охлаждаемый узел; 2 — сосуд Дьюара с гелием; 3 — сосуд Дьюара с азотом.

Рис. 2. Металлический гелиевый криостат: 1 — корпус; 2 — объём, заполняемый гелием; 3 — экран; 4 — адсорбент; 5 — ванна для азота; 6 — сильфон.