Криостат
Изобретение относится к технике низких температур и касается криостЗтов для проведения исследования электрофизических явлений, например, в полупроводниках . Целью изобретения является снижение расхода криоагента, расширение диапазона регулирования скорости изменения температуоы. Образец 4 закрепляют в днище 5 камеры и закрывают крышкой 13. Держатель , заключенный в теплоизолирооанный кожух 7 с металлической оболочкой, х-л а допровод 6 и теплообменник, содержащий корпус 15 и радиатор 16, размещают в емкости 2, заполненной жидким криоагеи.том 3. Образец 4 охлаждается до температуры, - близко; - к температуре криоагента 3. При нагреве образца включают злектрснагрсвзтель 9 и закрывают газоотводную трубку 29 и часть каналов 24 - 27. Для изменения диапазона скорости нагрева образца 4 меняют соотношение жидкого и газообразного криоагента 3 в теплообменнике, перекрывая один из каналов 24 - 27. 1 ил. СЛ
г л}ОЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)ю Р 25 0 3/10, Р 17 C3/08
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
l 2
Лен
) аюла
К АВТОРСКОМУ СВИдг=ТЕЛ ЬСТВУ (21) 4781067/13 (22) 11.01.90 (46) 23.01.92. Бюл. М. 3 (71) Центральное проектно-конструкторское и технологическое бюро kàó ;56) Авторское свидетельство СССР йг 403927, кл. F 25 D 3/10, 1973. Авторское свид:тельство СССР М 1592679, кл, Г 25 D 3/10, 9 8, (54) КРИОСТАТ (57) Изобретение относится к технике низких тбмператур и касается криостЛтов для проведения исследования электрофизических явлений, например, в полупроводни. Ж „170?461 А1 ках. Целью изобретения является снижение расхода криоагента, расширение диапазона регулирова1 ия скорости 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 теплообменник, содержал-"ùèé корпус 15 и радиатор 16, размещгют в емкости 2, "-аполненной жидким криоагентом 3. Образец 4 охлаждается до температуры, - близко; к температуре криоагента 3. При нагреве: образца вклю кают злектрснггр" ватель 9 и закрывают газоотводную трубку 29 и часть каналов 24 — 27. Для изменения диапазона скорости нагрева образца 4 меняют соотношение жидкого и газообразного криоагента 3 в теплообменнике, перекрывая один из каналов 24 — 27. 1 ил. 1707461 Изобретение относится к технике низких температур и касается криостатов для проведения исследований злектрофлзических явлений, например, в полупроэодниках. Известен криостэт, содержащий емкость для жидкого криоагента с виде сосуда Дьюара, держатель, расположенный в сосуде Дьюара, на котором крепится образец. охлаждэемый либо парэмл х:идкого хладггента, ллбо ээ счет теплопроводности держателя или хладопровода, осуществляющих тспловую связь между хладагентом и образцом. Недостатком криостата является слояность и массивность конструкции, необходимость герметизации или даже откачки криостата Ro избежание конденсации на образце as,зги. При исследовании обьектоа с поглощью криостатов трудно реализовать скорость нагрева (более 0,1 К/с), Кроме того, по мере испарения хладагента, происходящего за счет теплообмена держателя с внешней средой, расстояние между хладагентом и исследуемым образцом увеличивается, Реализовать воспроиэводимость и постоянство скорости нагрева не удается. Наиболее близки л техническим решением v предлагаемому является криостат, содержащий емкость для жидкого криоагонта, установленный.в ней с воэможностью расположения на поверхности жидкого криоагента теплоизолированный кожух с металлической оболочкой, заключенные в него держатель образца, выполненный в плде полой камеры со сквозными отверстиями в крышке и днище для прохода паров криоагента, прикреплснный к днищу камеры хладопровод с осевь.м каналом, соосным с отверс.гием в днигце камеры, злектронагревател1., ргсположенный на хладопроводе под 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 электро энергии для достижения повь.шения скоростей нагрева (более 1 К/с); усложнение средств регулирования температуры, Целью изобретения является снижение расхода криоагента, расширение диапазона пег л.;ров:-нгg скоopc7+ ие .".. .Чан ", q u перетурь . На чертеже изображен криостат, аксонометрия, Криос .".; содерх;ит корпус 1 с раэмсщенной в нем емкостью 2 для криоагента 3. Держатель образца 4 выполненный в виде камеры с прикрепленным к ее днищу 5 хла5 допроводом 6. заключен в теплоизолирующий кожух 7 с металлической оболочкой 8 и установлек в емкости 2 с возможностью расположения на поверхности криоагента 3. Электронагреватель 9 в теплоизоляцион10 ной прокладке 10 установлен на хлацопроводе 6 под днищем 5 камеры, Посгедняя выполнена рэзьемной со сквозными Отвер стиями 11 и 12 в крышке 13 и дниц,е 5 соответственно для прохода паров «риоа15 гента 3. Хладопровод 6 имеет осевой канал 14, соосный с отверстием 12 в днище 5. Помимо этого криостаг снабжен теплообменником. содержащим корпус 15 и радиатор 16, При этом корпус выполнен в виде 20 цилиндрического стакана с обечайкой 17 и установлен так, что его днище 18 имеет тепловой xaII>экт с кожухом 7, а горловина 19 стакана расположена ниже предполагаемо-го уровня vðãoàãåíòà 3 в емкости 2. Стакан 25 и обечайка 17 выполнены иэ материала, идентичного соотвегственно материалу кожуха 7 и оболочки 0. Внутренняя поверхность корпуса 15 имеет кjflosIGc браэную форму, в дни,е 18 30 выпс нено oc aoå o верстие 20, Радиатор 1 6 ac:. IP,,. н В виде усечс нного кон >"..а, об рэщенного меньшим ocHoaà l l:.4 к дни цу 18 ковпуса 15, укреплен в отверстил 20 днища 18 и соединен .ерез перекодник 21 с 35 хладопроэодом 6, Переходник 2 1 и радиатор 16 имеют каналы 22 и 23, соосные с каналом 14 в хладопроводс 6. В кopn;c 15 и кояухе 7 выполнено в данном случае негыре сквозных ка 1алг 24 — 27 для регуг 1руе40 мого вывода паров криоагента 3 из полости корпуса 15. Каналы 24 — 27 одним концом открываются на внутренней поверхности хорпуса 15 на разном уровне, а в верхней части выво45 дятся с помощью кембриков 28.8 зависимости от выбранного режима часть выведенных кембриков 28 перекрывается с помощью зажимов или фтороп lacToablx f1poI. oê (не показано). Kpblllsva 13 и днище 5 50 держателя образца 1, хладопровод 6 и радиатор 16 выполнены, например, из меди, а переходник 21 — напрлмер, из нержавеющей стали, Кожух 7 и корпус I5 теплооб :,енникэ выполнены иэ пенопласта. Отверстие 55 11 в крышке 13 держл1еля открывается чер"з азоотвпр ую тр;Оку 29, выпоиI I1;Iную, например из фторс:1". còa. Исследуемый образец 4 закрепляют в днище 5 камеры и закрывают крышкой 13, Всю систему в собранном виде. включая 1707461 45 50 кожух 7 и теплообменник, опускают в емкость 2 и через заливную трубку (не показана) заполняют криоагентом 3 так, чтобы верх теплоизолирующего кожуха 7 был на одном уровне с верхним краем емкости 2. При охлаждении все гаэоотводные каналы 24 — 27, включая центральную трубку 29, открыты, что обеспечивает продувку паров криоагента через камеру. Благодаря хорошей теплопроводнс"1и материала хладопровода 6, радиатора 16 и полного эаполненля геплообменника криоагентом 3 образец 4 охлаждается дс температуры, близкой к температуре хриоагента 3. Причем температура образца 4 стабильна, поскольку при плавающей системе испарение криоагента 3 и понижение его уровня не приводит к измене ию расстояния между криоаген гсм 3 и исследуемых образцом 4. При нагреве образца 4 для получения более высоких температур включают электронагреватель 9, причем закрывают газоотводную трубку 29 и часть каналов 24 — 27 ь зависимости от необход ; гой скорости нагрева образца 4. Нижняя часть радлатора 16 имеет температуру крлоагента 3, а температура образца 4 on еделястся мощностью нагревателя 9, тсплов .::. сспоотивлением хлядопровода 6, радлатора 16, переходника 21, а также газовой подушкой, образованной эа счет r„ :ðoâ криоагента 3 в полости теплообмен ника. / Для изменения диапазона скорости нагрева образца 4 меняют соотношения жидкого и газообразного криоагента 3 в теплообменни;е, перекрывая тот или иной иэ каналов 24 — 27. Для достижения больших скоростей нагрева (около 4 К/с) закрывают все каналы, кроме канала 26, находящегося у основания внутренней полости корпуса 15 теплообменника, при этом газообразная подушка занимает ьнутренний объем корпуса 15 теплообменника и радиатор 16 полностью находится в парах криоагента. Для достижения малых скоростей нагрева (до 0,6 К/с) открывают один иэ верхних каналов 25 или 27 и тем самым получают минимальный объем газовой подушки во внутренней полости корпуса 15 теплообменника. Для получения скоростей нагрева меньше чем 0,6 К/с и для стабилизации температуры испол ьзу,3 внеш«ий регулятор темпера уры -,, . -- зн), Охлаждение исследуемого объекта производится при выключенном нагревателе 9. В зависимости от Toro. на каком уровне открыт канал в теплообменнике, можно ускорать или зямеплять охлаждение объекта 4. Наличие теплообменника, корпус котооого выполнен из материала. идентичного материалу кожуха, в виде циллндричсского 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 теплообменника, переходник и хладрпровод обеспечивают теплообмен криоагент — образец — криоагент. На ичие теплообменника обеспечивает отрыв радиатора от жидкого Kpvоагента эа 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 криоагента, 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 теплообменни;а, отк„-,ыва ющихся на разных уровнях во внутреннюю полость теплообме; ника, позволяет регулировать объем газовой подушки. В зависимости от того, на каком уровне открыт канал, осушествляется отток накопившегося газа в атмосферу и тем самым увеличивается или уменьшается объем газа в полости и приближается или удаляется радиатор от 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 проходник, изготовленный иэ материала с коэффициентом теплопроводности, меньшим, чем материал радиатора и хладопровода, позволяет увеличить тепловое сопротивление системы радиатор — переходник — хладопровод и.приводит к уменьшению оттока тепла от держателя к хладаген1у (прямая связь). В то же врем ; изгото;,г;ни радиатора из To(o A:г материала, что и хл,",дспрсисд, дае возл и ность запастись холодом и осуществлять обратную связь при нагреве или охлаждении образца, Этому же способствует и выполнение радиатора в виде усеченного конуса. 1707461 Составитель И. шабалина Редактор О.Юрковецкая Техред M.MoðãåHTýë Корректор С. Черни Заказ 260 Т< <раж ВНИИПИ Государственного ксмите3а по изобреле<<лям и 0,3ры ганг «<ри <" c < Л СQ„.<-113035, Москва, )К-35, Раушс"ã".ë наб.. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, у»,Гагарина, 101 Кроме то, о, наличие радиа1ора в теплообменнике при изменении соотношения обьемов теплообменно o газа и хладагента в нем позволяет полу сить широкий диапазон скоростей нагрева от 0.01 до 4 K/ñ. I нижний предел скоростей нагрева (0,01 K/c) реализуется, когда теплообменник максимально заполнен хладагентом, при этом радиатор практически целиком находится в криоагенте. Верхний предел скоростей нагрева (4 К/с) реализуется, когда теплообменник заполнен газовой подушкой, при этом отток крепла от хладопровода к хлэдагенту уменьшается. Таким образом, Hал.лчие радиатора приводит к изменени1о площади отвода ге11ла, что обеспечивает зффект1:.<.,ность регулировки скоростей в коиостате. Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволяет; сократить расход хладагента, так как при реализации высоких температур нет непосредственного контак3а теплообменных элементов криостата (радиатор, переходник}с криоагентом. а лишь с его более. теплыми парами; исключить вибраци1о за счет наличия сквозных соосных отверстий в кожухе и корпусе теплообменника; достигнуть GKOpocTü нагрева больше 1 K/c при той же, что и у прототипа, мощи." ти нагре 38 за счет наличия дополнительно введенных теплообменника, переходника, радиатооа, сквозных соосных отверстий в кожухе и корпусе теплообменника; достигнуть линейного изменения темг:ературы от времени при скоростях изменения температуры, больших 0,6 К/с. Формула изобретения Криостат, содержащий емкость для жидкого криоагента. установленнь<й в ней с возможностью расположения на поверхности жидкого криоагента тепло<лзолиро13анный кожух с металлической оболочкой, заключен1<ыэ в ного держатель обре:<ца, 1<ыполненHü.:3 I3 ьчлдо по1ой камеры сосквозными отверстиями в крышке и дни1це для про",îäà паров кри<:агента, прикрепленный 5 I . днищу камеры хладопровод с Gce5blM канало:л, соосным с отаерст1лем в днище камеры, злектронагреватель, располженный на хладспроводе под днищем камеры. о т л и ча ю шийся тем, что, с целью снижения 10;риоагента и расширения диапазона регулирог3ани;1 скорости измеí"..Hèë темперэтуры, криостат сн бжен тс<1лообменн1лком, содержащим ко<<пус и Рад <втор, 11Гэи зто1л корпус выполнен в виде 15 цилиндрического стакана с обечайко1л и уста явлен так, что д111лц<" егo 1лме".т теплопо<л контакт с кожухом, а горловина располо>кена нюке предпол:<гаемого уровня крио".-.ãåí, та в емкости, приче, стакан и обе гайка 20 выполнены из мгтериа ld, иде11т1лчного соответственно матсриалу кожух; v, оболочки, внут рення» 110«ерхносTh стакана имест куполообра."н; о фор1«)<, ч а дни!це его Эыronнено осевое отверстие, а ради;-Тпр 25 выпол11ен B с. де усеченного конуса, обраще1гного мень 40 высоким коэффициентом теплопроводности, а переходник — из матер,ала с более низким козффи.,1лентом теплоп роводности.
