19158

Основные конструктивные схемы гелиевых криостатов

Лекция

Производство и промышленные технологии

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ Лекция 5 Основные конструктивные схемы гелиевых криостатов 1. Гелиевые криостаты с азотным объемом Основные конструктивные схемы гелиевых криостатов с азотным объемом. приведены на рис. 1.1. Схема криостата изображе

Русский

2013-07-11

414.5 KB

37 чел.

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ

Лекция 5

Основные конструктивные схемы гелиевых криостатов

1. Гелиевые криостаты с азотным объемом

Основные конструктивные схемы гелиевых криостатов с азотным объемом. приведены на рис. 1.1. Схема криостата, изображенного на рис. 1.1(а), по сути, повторяет схему хорошо описанного в литературе стеклянного криостата [2] [4]. Он состоит из двух сосудов Дьюра, расположенных один в другом. Во внешний сосуд заливается жидкий азот, во внутренний – гелий. Образцы и измерительные провода вводятся через верхний фланец. Достоинством криостата является раздельный вакуум в сосудах Дьюара: при нарушении герметичности одной из вакуумных полостей заменяется только один сосуд. Вакуумные полости выполнены в виде неразъемных соединений, что повышает надежность конструкции. Недостатком конструкции является относительно большой поперечный размер, а также достаточно большой теплоподвод по трубе подвеса. Скорость испарения гелия в таких конструкциях составляет 200 – 400 см3/ч.

Схема криостата на рис. 1.1(б) почти повторяет предыдущую конструкцию, однако с той разницей, что вакуум в криостате общий для жидких азота и гелия, вакуумная полость разъемна: внешний корпус и внутренняя часть герметично соединены с помощью вакуумной прокладки. Дно гелиевой емкости защищено от излучения корпуса медным экраном, который имеет хороший тепловой контакт с азотной ванной; при необходимости этот экран можно сделать съемным, что обеспечит доступ ко дну гелиевой емкости. По сравнению со схемой, изображенной на рис. 1.1(а), конструкция обладает большими возможностями, так как образцы могут располагаться не только внутри гелиевой емкости, но и снаружи (т. е. в вакууме).

Схема криостата на рис. 1.1(в) наиболее распространена. В данной конструкции гелиевая и азотная емкости выполнены в виде раздельных конструкций, находящихся в общем вакууме, причем азотная емкость расположена над гелиевой. Защита гелиевой емкости от излучения осуществляется с помощью медного экрана, контактирующего с азотной ванной, причем этот экран может быть съемным. Для уменьшения теплоподвода по трубке подвеса азотная емкость в верхней части контактирует с трубкой подвеса. Гелиевая и азотная емкости закреплены на фланце, который с помощью разъемного вакуумного соединения уплотняется с внешним корпусом.

Криостаты, выполненные по схеме 1.1б, 1.1в, часто используются для проведения оптических рентгеноструктурных исследований образцов, находящихся в условиях низких температур, так как конструкции позволяют изготовить гелиевую емкость в виде длинного хвостовика небольшого диаметра.

Рассмотренные схемы практически исчерпывают этот вид криостатов. Реальные конструкции, выполненные по этим схемам, различаются объемом гелиевой и азотной емкостей, диаметром и длиной трубки подвеса гелиевой емкости, назначением (например, криостаты для оптических, рентгеноструктурных исследований, для магнитных измерений и т. д.).

Криостаты могут изготавливаться любой формы. С точки зрения теплопритоков, оптимальной формой является сфера. Однако наиболее технологичны в изготовлении цилиндрические криостаты. Поэтому цилиндрические криостаты на практике встречаются наиболее часто.

Используя схемы криостатов, показанные на рис. 1.1, можно сконструировать весьма компактные низкотемпературные устройства, имеющие гелиевый объем 1,01,5 л. Наилучшей для компактного криостата является схема 1.1(в). При прочих равных условиях, у криостатов, изготовленных по этой схеме, минимальный диаметр, так как толщина азотного экрана заметно меньше толщины азотной емкости в схемах 1.1(а) и 1.1(б). Конструируя криостат, следует иметь в виду, что расстояние между экраном и корпусом, так же как между экраном и гелиевой емкостью, надо делать небольшим – 2–3 мм. Увеличение этого промежутка приводит к неоправданному увеличению вакуумного пространства, требующего откачки. Кроме того, растут габаритные размеры и масса низкотемпературного устройства. По этой же причине не следует завышать расстояние между азотной емкостью и гелиевой емкостью, а также между азотной емкостью и капкой (верхним фланцем) криостата.

Выбирая принципиальную схему криостата, необходимо помнить о минимизации тепловых потоков к жидкому хладагенту. Требуется провести предварительный комплексный тепловой расчет криостата (или другого криогенного устройства) еще на уровне эскизного проекта. Пример такого расчета можно найти в [1]. Важным результатом расчета является время, за которое испарится гелий из гелиевой емкости. Может оказаться так, что некоторые эксперименты требуют большего времени, чем позволяет ресурс криостата. В этом случае необходимо изменение конструкции криостата, например, увеличение объема гелиевой емкости.

Набор криостатов, используемых на практике, гораздо шире приведенных на рис. 1.1. Но все они являются логическим продолжением традиционных криостатов и служат для специфических целей. Так, в литературе [2] – [4] описаны устройства с двойным гелиевым объемом, системы типа "перевернутый Дьюар", криостаты с использованием теплообменного газа для получения промежуточных температур и т.д. В п. 3.2 будут рассмотрены основные схемы низкотемпературных устройств, позволяющих получать промежуточные температуры в широком диапазоне от 1 К до 300 К. В конце раздела мы приведем конструкцию достаточно сложного гелиевого криостата, предназначенного для комплексного исследования влияния напряжений, низких температур и облучения на критические параметры сверхпроводников.

1.2. Безазотные криостаты

Основное предназначение жидкого азота в рассмотренных выше схемах азотных гелиевых криостатов – охлаждение излучающей стенки от комнатной температуры до температуры Т 77 К, что значительно уменьшает теплоперенос к жидкому гелию за счет излучения. Вместе с тем понятно, что для получения температур в диапазоне 70 – 100 К не обязательно использовать жидкий азот. В гелиевом криостате за счет теплопроводности по трубке подвеса гелиевой емкости имеется весь спектр температур от 4,2 К до 300 К. Нужно правильно рассчитать расположение точки на трубе подвеса с температурой  Т  77 К и подсоединить к ней медный тепловой экран. На рис. 1.2 показан широко распространенный вариант безазотного криостата с широким горлом [5]. В конструкции этого типа трубка подвеса выполняется в виде «гармошки», что позволяет существенно увеличить ее длину. За счет теплопроводности материала, а также из-за конвективного теплообмена парами гелия, на подвесе устанавливается распределение температур. В точке с температурой Т  100 К к подвесу припаивается медный экран, который служит для уменьшения теплового потока за счет излучения. Промежуточный фланец на корпусе криостата необходим для отсоединения нижней части корпуса, что, в свою очередь требуется для доступа к медному экрану.

Основное достоинство описанной выше конструкции  относительно большой проходной диаметр гелиевой емкости. В связи с этим такой криостат часто используется для охлаждения сверхпроводящих соленоидов.

По характеру использования хладагента криостаты делятся на заливные и непрерывного потока. В заливных криостатах имеется емкость, в которую заливается жидкий гелий (гелиевая емкость). Схемы таких криостатов были рассмотрены в предыдущем разделе. В криостатах непрерывного потока емкость для жидкого гелия либо отсутствует, либо имеет весьма незначительный объем, который определяется размерами исследуемых образцов. В таких криостатах объекты охлаждаются за счет непрерывной подачи либо жидкого хладагента, либо холодного газа по теплоизолированной трубке из внешнего источника. В качестве внешнего источника используется, как правило, транспортный сосуд Дьюара, а в качестве теплоизолированной трубки – стандартный переливной сифон (устройство транспортного сосуда Дьюара будет рассмотрено в разделе 3). При этом изменение температуры образца легко регулируется путем варьирования объема прошедшего хладагента в жидком или газообразном состоянии, что, в свою очередь определяется разностью давлений между сосудом Дьюара и криостатом [2]. Основными достоинствами криостатов непрерывного потока являются небольшие размеры, возможность произвольной ориентации в пространстве, способность изменять температуру образцов в широком интервале от 3 до 300 К.

Конструктивные схемы гелиевых криостатов непрерывного потока могут быть разнообразны. Некоторые из них приведены в [2]. Ниже мы рассмотрим три конструкции компактных гелиевых криостатов проточного типа. Первая схема описывает криостат, предназначенный для изменения температуры исследуемого образца в широком диапазоне. Затем будут приведены две схемы криостатов непрерывного потока, которые могут использоваться как для радиационных или оптических исследований (причем в магнитном поле), так и для простого охлаждения объектов.

2.1. Криостат проточного типа с использованием транспортного сосуда Дьюара

В этом варианте криостат 1 помещается непосредственно в транспортный сосуд Дьюара 2 с помощью уплотнения 3 (см. схему на рис. 2.1). Криостат представляет из себя две соосные трубы переменного диаметра. Нижняя часть, опускаемая в криостат, более узкая. Верхняя часть криостата широкая и предназначена для размещения штока 4 с исследуемым образцом и термометром. Шток охлаждается газообразным гелием, который проходит по внутренней трубе. Сильфон 5 служит для компенсации термических напряжений. Для уменьшения теплопередачи между трубками в вакуумированном объеме располагается тепловой экран. Нижняя часть криостата сделана таким образом, что в нее попадает газ, который, проходя по дополнительной коаксиальной трубе (на рисунке не показана), через тонкую металлическую стенку охлаждается жидким гелием из сосуда. При изменении давления в сосуде Дьюара изменяется количество газа, проходящего возле образца. Тем самым меняется температура образца.

В том случае, если конструктивно криостат выполнен без дополнительной трубки (как на рис. 2.1), охлаждение возможно непосредственно жидким гелием, поднимающимся по внутренней трубке за счет увеличения давления внутри сосуда Дьюара. Преимуществом описанной выше конструкции являются простота, малый расход хладагента, возможность изменения температуры в пределах от 4,2 до 400 К и выше (верхнее ограничение по температуре определяется только тепловой стойкостью элементов конструкции криостатов, датчиков и т.п.), возможность проводить   оптические исследования (при укомплектовании конструкции оптическими окнами).

2.2. Низкотемпературный шток проточного типа для радиационных и оптических исследований

Криостаты непрерывного потока, в силу своей компактности, произвольной ориентации в пространстве и малого расхода хладагента, широко используются при проведении радиационных и оптических исследований.

На рис. 2.2 представлена одна из возможных схем радиационно-оптического проточного криостата [6]. Держатель образца охлаждается хладагентом, который поступает из стандартного переливного сифона по патрубку 1, проходит в зазоре между патрубком и держателем образца 2 и охлаждает последний. В качестве хладагента используется газообразный гелий из транспортного сосуда Дьюара. Изменение температуры достигается изменением потока газа. На медном экране 3 располагается диафрагма для ограничения площади радиационного или оптического облучения, а также для контроля флюенса облучения – два цилиндра Фарадея 4, расположенные симметрично относительно диафрагмы. Электрические вводы к держателю образца и цилиндрам Фарадея осуществляются с помощью высоковакуумных разъемов 5. Ввод образца в область взаимодействия с пучком ионов или оптическим лучом 6 производится через шлюзовой вакуумный объем 7, который может отсоединяться от вакуумного объема ускорителя посредством затвора 8. Вакуумный шлюз имеет собственную систему вакуумирования. Перемещение штока 9 c держателем образца осуществляется через ввод движения 10 в виде двух уплотнений типа уплотнений Вильсона, пространство между которыми вакуумируется. Уплотнения Вильсона дают возможность осуществлять поступательное движение держателя образца, а также его вращение вокруг продольной оси штока. Для получения однородного облучения в конструкции штока предусматривается возможность механического сканирования образца в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной оси пучка. Механические колебания держателя образца осуществляются с помощью электродвигателя 11, который через редуктор, эксцентрик и тягу 12 передает колебательные движения штоку. Герметичность колебательного ввода движения обеспечиваетя сильфоном 13.

Описываемый шток позволяет варьировать температуру держателя образца в пределах 5 300 К. В случае радиационных исследований низкотемпературная часть криостата располагается в вакуумном объеме ускорителя. Для проведения оптических исследований низкотемпературная часть помещается в дополнительный корпус, имеющий оптические окна. Внутренняя часть корпуса вакуумируется, после его криостат может использоваться автономно.

PAGE  7

ис. 2.2. Конструкция низкотемпературного штока для радиационных

исследований

EMBED Photoshop.Image.5 \s

Рис. 2.1. Криостат проточного типа

Рис. 1.2. Принципиальная схема безазотного гелиевого криостата

Образец

T280 K

T100 K

T4,2 K

T50 K

Рис. 1.1. Конструктивные схемы гелиевых криостатов с азотным объемом

а)                         б)                                   в)

N2

He

N2

He

N2

He


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30707. Буржуазно-демократические революции в Германии, Австрии, Венгрии (1918): общее и особенное 23.5 KB
  Вслед за Германией буржуазнодемократические революции начались в Австрии и Венгрии что привело к свержению монархии и провозгласило республику во главе с коалиционным правительством и с буржуазнодемократическими правами и свободами. В Венгрии была объявлена республика а потом ее провозгласили Советской республикой по примеру России но она не сумела удержать власть и распалась в 1919 г. в Венгрии была установлена авторитарная диктатура и она была провозглашена монархическим государством.
30708. Политика правящих кругов и усиление левой оппозиции во Франции (1919 – 1923 гг.) 22.5 KB
  В отношении рабочего класса применялась политика уступок которые чередовались репрессиями. Политика правящих кругов также отразилась и на политическом уровне – впервые были проведены выборы в парламент и объединение в Национальный блок целью которого стала борьба с большевизмом.
30709. Проблемы антифашистской борьбы в Европе 1920 – 1930 гг 23.5 KB
  В 1935 во Франции был создан Народный фронт в состав которого вошли как коммунистические и социалистические партии так и левобуржуазные политические организации. Народный фронт представляет собой политический союз который как правило объединяет левые и центральные силы для осуществления противодействия правым силам представителей власти. Основной целью возникновения народных фронтов стала борьба за защиту экономических интересов рабочего класса и противопоставление войне и фашизму. Самый первый народный фронт был образован во...
30710. Основные тенденции и итоги развития Европейского Сообщества в 1990-е 23.5 KB
  ЕЕА провозгласил создание Европейского Союза на основе существующих Сообществ и углубление компетенции союза ЕС в области координации экономической валютной социальной политики социальноэкономического сплочения исследований и технологического развития защиты окружающей среды а также развитие европейского сотрудничества в области внешней политики. Амстердамский договор 1997 подтвердил основные цели Союза и дополнил раздел общей внешней политики и политики безопасности. При анализе политики Европейского Союза...
30711. Создание и основные направления деятельности антигитлеровской коалиции 24 KB
  Черчилль и США – Рузвельт заявили о своем желании оказать помощь Сов. Великобритания и США подписывают Атлантическую Хартию о совместных действиях против Гитлера СССР присоединилась к ней. Нападение Японии на США ускорило формирование Антигитлеровской коалиции. В декабре 1941 США официально вступает во 2у мировую войну.
30712. Парижская мирная конференция и ее решения. Версальский мирный договор 24 KB
  Возглавлял конференцию – Климансо присутствовали лидеры ведущих стран ЛлойдДжордж Великобритания Вильсон США и др. Но главные решения принимались в узком кругу сначала пяти государств Франция Великобритания США Италия Япония а затем только трех Франции Великобритании США таким образом сохранялась практика тайной дипломатии т. Американский конгресс не утвердил вступление США в эту организацию. Франция и Италия – за военное давление на Сов России; Великобритания и США – более осторожны за переговоры.
30713. США динамика развития в двухполюсном мире 31 KB
  Вторая мировая война стимулировала быстрое экономическое развитие США. Изменилась отраслевая структура экономики США успешнее решались проблемы занятости населения. В первые послевоенные годы в США была успешно проведена конверсия военного производства. С конца 40х годов устойчивый и непрерывный экономический рост стал отличительной особенностью функционирования экономической системы США.
30714. Противоречия Версальско-Вашингтонской системы международных отношений 26.5 KB
  Франция требовала вернуть им Эльзас и Лотарингию установить контроль за промышленным Рурским районом претендовали на германские колонии в Африке и Средиземноморье и т. Великобритания – хотели сохранить единство Германии установив контроль над её экономикой.
30715. Факторы социальной и политической нестабильности во Франции в 1950-е годы. Конец 4-ой республики (1958 г.) 25.5 KB
  во Франции обострилась проблема инфляции. В этот период во Франции усилились попытки коммунистов дискредитировать американскую помощь или отказаться от нее а партия де Голля Объединение французского народа РПФ желая уберечь страну от коммунизма стремилась к власти и изменению государственного строя.