UA20748U - Temperature-controlled cryostat - Google Patents

Abstract

The proposed temperature-controlled cryostat contains a vessel for cryogenic liquid, protective screens, a pressure controller, a heat exchanging chamber, a dismountable temperature-controlled chamber, and a temperature control system.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель відноситься до галузі фізико-технічних випробувань та досліджень матеріалів і призначена 2 для автоматичної стабілізації температури об'єкта в інтервалі 4,2-35ОК з точністю --0,02К.The useful model belongs to the field of physical and technical tests and research of materials and is intended 2 for automatic stabilization of the temperature of the object in the range of 4.2-35OK with an accuracy of -0.02K.

Існуючим терморегульованим кріостатним системам, у яких використовується відкачування пари кріогенної рідини з термостатованої камери, необхідне постійно діюче виймальне відкачувальне устаткування, що ускладнює конструкцію цих систем та їх експлуатацію. У цих приладах або неможлива заміна зразка без порушення режиму термостатування, або можлива тільки при повному відігріванні приладу. 70 У кріостатах систем такого типу низькотемпературні віконні введення монтуються способом закріплення введення за допомогою індієвої прокладки, закріпленої на горизонтальній площині.Existing thermoregulated cryostat systems, which use the pumping of cryogenic liquid vapor from a thermostated chamber, require constantly operating removable pumping equipment, which complicates the design of these systems and their operation. In these devices, it is either impossible to replace the sample without breaking the thermostat mode, or it is possible only when the device is fully warmed up. 70 In the cryostats of systems of this type, low-temperature window inputs are mounted by the method of fixing the input using an indium spacer fixed on a horizontal plane.

Недоліком такого рішення слід вважати громіздкість конструкції, адже такий спосіб розташування ущільнення вимагає його затиску і місця для розташування притискувальних фланців і гвинтів кріплення, а також їхніх посадкових місць, ймовірність руйнування матеріалу вікна внаслідок його неплоскопаралельності і можливості т надмірного зусилля притискування.The disadvantage of such a solution should be considered the bulkiness of the structure, because this method of arrangement of the seal requires its clamping and space for the location of the clamping flanges and fastening screws, as well as their seats, the probability of destruction of the window material due to its non-planar parallelism and the possibility of excessive clamping force.

Відомий пристрій, який містить кріостат і автоматичну систему термостатування (а.с. СРСР Мо4363341.A well-known device that contains a cryostat and an automatic thermostating system (a.s. USSR Mo4363341.

У цьому пристрої регулювання і стабілізація температури об'єкта здійснюються в потоці теплообмінного середовища, наприклад, рідкого чи газоподібного гелію, що надходить до термостатованої камери кріостата в кількостях, регульованих системою керування. Резервуар-живильник, що містить кріогенну рідину, забезпечений 720 клапаном постійного тиску, призначеним для підтримки як у резервуарі-живильнику, так і в термостатованій камері, постійного надлишкового тиску. Він необхідний для транспортування кріогенної рідини чи її пари, що використовуються як теплообмінне середовище, через кріостатну систему. У порожнині резервуара-живильника встановлений перемикаючий вентиль, який має верхнє і нижнє забірні отвори, призначеній для забирання з резервуара-живильника або кріогенної рідини (через нижній забірний отвір), або її пари (через верхній забірний отвір). Сідло клапана регулятора витрат, встановленого на лінії відведення відроблених парів ш кріогенної рідини з термостатованої камери, має перемінний перетин, що дозволяє оптимізувати процес термостатування. Кріостат, що є одним із блоків пристрою, містить роз'ємний зовнішній кожух, порожнина якого вакуумована, резервуар рідкого азоту зі роз'ємними радіаційними екранами, резервуар із кріогенною рідиною, що використовується для термостатування об'єкта, забірною трубкою, теплообмінником і пов'язаною з ним со форкамерою з нагрівачем, термостатованою робочою камерою і трубою підвісу. Всі ці елементи (крім роз'ємних) «ЖЕ нероз'ємні та герметично з'єднані між собою. У кріостаті систем такого типу оптичні низькотемпературні вікна клеяться в оправлення, припаяні до корпуса робочої камери. -In this device, the regulation and stabilization of the temperature of the object is carried out in the flow of a heat exchange medium, for example, liquid or gaseous helium, which enters the thermostated chamber of the cryostat in quantities regulated by the control system. The feed tank containing the cryogenic liquid is equipped with a constant pressure valve 720 designed to maintain a constant excess pressure in both the feed tank and the thermostated chamber. It is necessary for transporting cryogenic liquid or its vapor, used as a heat exchange medium, through the cryostat system. In the cavity of the feeder tank, a switching valve is installed, which has upper and lower intake holes, designed to take cryogenic liquid (through the lower intake hole) or its vapor (through the upper intake hole) from the feed tank. The seat of the valve of the flow regulator, installed on the line of removal of exhausted vapors and cryogenic liquid from the thermostated chamber, has a variable cross-section, which allows optimizing the thermostating process. The cryostat, which is one of the units of the device, contains a removable external casing, the cavity of which is evacuated, a tank of liquid nitrogen with removable radiation shields, a tank with a cryogenic liquid used for temperature control of the object, a suction tube, a heat exchanger and a cover connected to it with a pre-chamber with a heater, a thermostated working chamber and a suspension pipe. All these elements (except detachable ones) "are inseparable and hermetically connected to each other. In the cryostat of systems of this type, optical low-temperature windows are glued into frames, soldered to the body of the working chamber. -

Недоліками цього пристрою є обмежена область його застосування і нерозбірність конструкції при ав) необхідності заміни низькотемпературних вікон.The disadvantages of this device are the limited scope of its application and the indiscernibility of the design in case of the need to replace low-temperature windows.

Зо Найближчим за сукупністю ознак і технічним результатом корисної моделі є (ас. СРСР Мо943669 сч 505023/30/07, 19821.The closest in terms of the set of features and technical result of the useful model is (assistant of the USSR Mo943669 sch 505023/30/07, 19821.

Терморегульований кріостатний пристрій містить кріостат, клапан постійного тиску, регулятор витрат, датчик температури системи стабілізації і регулювання температури, задатчик опорної напруги (сигналу), « підсилювач сигналу розбалансування та двопозиційний регулятор. Кріостат містить резервуар для кріогенної шо 70 рідини з вентилем, забірну трубку, з'єднану з теплообмінником, вихідний кінець якого введений в конічну с втулку, яка, в свою чергу, введена в конічний отвір форкамери своїм конічним виступом. На зовнішній поверхні 1» форкамери встановлений електронагрівач. У кільцевій проточці конічної втулки вміщена ущільнювальна прокладка. Конічна втулка і форкамера герметично з'єднані болтами. Болти знімача вгвинчені у фланець конічної втулки до упору з форкамерою. До форкамери прилягає термостатована робоча камера, закріплена на трубі юю 75 підвісу. У верхній частині труби змонтований фланець, який через прокладку, болтами роз'ємно скріплений із фланцем, встановленим на кришці. До резервуара з рідким азотом кріпляться роз'ємні радіаційні екрани, що (ав) охоплюють резервуар-живильник і інші деталі кріостата, охолоджувані до найнижчого температурного рівня, віддаляючи їх від вузлів кріостата, температура яких може бути вищою. Регулятор витрат містить корпус із двома каналами. У корпусі змонтований голчастий вентиль, соленоїдний клапан із соленоїдною котушкою і т» 90 бойком. Клапан постійного тиску змонтований на трубопроводі, який з'єднаний з резервуаром із кріогенною рідиною. со Недоліком цього рішення є необхідність заміни змінного блоку в кріостаті, який складається з термостатованої робочої камери форкамери і труби підвісу, і в зв'язку з цим проведення необхідних операцій по розбиранню-збиранню кріостата (по розпаюванню - спаюванню провідників нагрівача, 25 відгвинчуванню-згвинчуванню болтів, від'єднанню-з'єднанню втулки, заміни змінного блоку кріостата). с Задача, що вирішується корисною моделлю полягає в спрощенні кріостатного пристрою при збереженні його функціонального призначення шляхом застосування змінних віконних введень на робочій камері кріостата.The thermoregulated cryostat device contains a cryostat, a constant pressure valve, a flow regulator, a temperature sensor of the temperature stabilization and regulation system, a reference voltage (signal) encoder, an imbalance signal amplifier and a two-position regulator. The cryostat contains a tank for cryogenic sho 70 liquid with a valve, an intake tube connected to a heat exchanger, the outlet end of which is inserted into a conical bushing, which, in turn, is inserted into the conical opening of the prechamber with its conical projection. An electric heater is installed on the outer surface of 1" of the pre-chamber. A sealing gasket is placed in the annular groove of the conical sleeve. The conical sleeve and the pre-chamber are hermetically connected with bolts. The bolts of the remover are screwed into the flange of the conical sleeve until they stop with the fore-chamber. Adjacent to the pre-chamber is a thermostatic working chamber fixed on the pipe of the Yuyu 75 suspension. A flange is mounted in the upper part of the pipe, which is releasably fastened to the flange installed on the cover through a gasket and bolts. Removable radiation shields are attached to the liquid nitrogen tank, which (av) covers the feed tank and other parts of the cryostat, cooled to the lowest temperature level, away from the cryostat assemblies, which may be at a higher temperature. The flow regulator contains a housing with two channels. A needle valve, a solenoid valve with a solenoid coil and t" 90 striker are mounted in the body. A constant pressure valve is mounted on a pipeline that is connected to a reservoir of cryogenic liquid. The disadvantage of this solution is the need to replace the replaceable block in the cryostat, which consists of the thermostatic working chamber of the pre-chamber and the suspension pipe, and in connection with this, the necessary operations for disassembling and assembling the cryostat (for desoldering - soldering the heater conductors, 25 unscrewing - screwing bolts, disconnection-connection of the sleeve, replacement of the replaceable block of the cryostat). c The problem solved by the useful model is to simplify the cryostat device while preserving its functional purpose by using variable window inputs on the working chamber of the cryostat.

Для вирішення поставленої задачі у терморегульованому кріостатному пристрої, що містить кріостат з резервуаром для кріогенної рідини з роз'ємними радіаційними екранами, що обхоплюють резервуар-живильник з 60 клапаном постійного тиску і перемикаючим вентилем, теплообмінну форкамеру, термостатовану камеру, а також систему терморегулювання і стабілізації температури, віконне введення робочої камери кріостата виконано роз'ємним у вигляді двох соосних конічних оправлень, одне з котрих з'єднане з камерою, а інше утримує необхідне спектральне вікно, причому оправлення мають кільцеву канавку з прокладкою для забезпечення необхідної герметичності пристрою. бо Виконання віконного введення робочої камери роз'ємним в вигляді двох соосних конічних оправлень, одне з котрих з'єднане з камерою, а інше утримує необхідне спектральне вікно, дозволяє спростити пристрій і розширити галузь його застосування у випадку зміни характеру задач при переході від вимірів з одного діапазону частот до іншого шляхом простої заміни необхідних оправлень із вікнами, усуває необхідністьTo solve the given problem in a thermoregulated cryostat device, which contains a cryostat with a reservoir for cryogenic liquid with removable radiation shields, covering a reservoir-feeder with a 60 valve of constant pressure and a switching valve, a heat exchange pre-chamber, a thermostated chamber, as well as a thermoregulation and stabilization system temperature, the window entry of the working chamber of the cryostat is detachable in the form of two coaxial conical frames, one of which is connected to the chamber, and the other holds the necessary spectral window, and the frames have an annular groove with a gasket to ensure the necessary tightness of the device. because the performance of the window input of the working camera is detachable in the form of two coaxial conical frames, one of which is connected to the camera, and the other holds the necessary spectral window, allows you to simplify the device and expand the field of its application in the event of a change in the nature of tasks when moving from measurements with one frequency range to another by simply replacing the required window frames, eliminates the need

Виготовлення додаткових змінних блоків кріостата.Production of additional replaceable blocks of the cryostat.

Суть корисної моделі зрозуміла з креслень, де на Фіг.1 наведена функціональна схема пристрою; Фіг.2 - вертикальний перетин кріостата; Фіг.3 - перетин віконного введення термостатованої камери кріостата.The essence of the useful model is clear from the drawings, where the functional diagram of the device is shown in Fig. 1; Fig. 2 - vertical section of the cryostat; Fig. 3 - cross-section of the window input of the thermostated chamber of the cryostat.

Терморегульований кріостатний пристрій є двоконтурним і складається з контуру терморегулювання і стабілізації температури, до якого входить, (див. Фіг.1) кріостат 1, датчик температури 2, регулятор 7/0 температури 3, електронагрівач 4, регулятор витрати 5, та контур підтримання тиску пари кріогенної рідини з кріостатом 1 і клапаном постійного тиску.The thermoregulated cryostat device is a two-circuit and consists of a thermoregulation and temperature stabilization circuit, which includes (see Fig. 1) a cryostat 1, a temperature sensor 2, a 7/0 temperature regulator 3, an electric heater 4, a flow regulator 5, and a pressure maintenance circuit vapors of cryogenic liquid with cryostat 1 and constant pressure valve.

Кріостат, який є одним із блоків пристрою, містить (див. Фіг.2) роз'ємний зовнішній кожух 7, порожнина якого вакуумована, резервуар рідкого азоту 8 зі роз'ємними радіаційними екранами 9, резервуар із кріогенною рідиною 10, що використовується для термостування об'єкта, із забірною трубкою 11, теплообмінником 12, 7/5 пов'язаною з ним форкамерою 13 з нагрівачем 4, трубою підвісу 14 і термостатованою робочою камерою 16. Всі ці елементи (крім роз'ємних) нероз'ємні і герметично з'єднані між собою.The cryostat, which is one of the units of the device, contains (see Fig. 2) a removable external casing 7, the cavity of which is evacuated, a liquid nitrogen tank 8 with detachable radiation screens 9, a tank with cryogenic liquid 10, which is used for thermosetting object, with intake pipe 11, heat exchanger 12, 7/5 associated with it pre-chamber 13 with heater 4, suspension pipe 14 and thermostated working chamber 16. All these elements (except detachable ones) are non-separable and hermetically sealed with are connected to each other.

У порожнині резервуара з кріогенною рідиною встановлений перемикаючий вентиль 15, що має верхній і нижній забірні отвори для забирання з резервуара або кріогенної рідини (через нижній отвір), або її пари (через верхній отвір). Крім того на кресленні показані поплавковий покажчик рівня 17, об'єкт дослідження 18, шток 19, заглушка 20, притискувальні фланці 21, 22 для закріплення радіаційного екрана 9, та притискувальні фланці 23, 24 для закріплення зовнішнього кожуха 7.In the cavity of the tank with cryogenic liquid, a switching valve 15 is installed, which has upper and lower intake holes for taking cryogenic liquid (through the lower hole) or its vapor (through the upper hole) from the tank. In addition, the drawing shows the float level indicator 17, the research object 18, the rod 19, the plug 20, the clamping flanges 21, 22 for fixing the radiation shield 9, and the clamping flanges 23, 24 for fixing the outer casing 7.

Термостатована камера 16 кріостата 1, (див. Фіг.3) виготовлена з міді з латунною обоймою 25 з конічними отворами на місці установки віконних введень. Зовнішня посадкова частина віконних введень є конічним оправленням 26, виготовленим з латуні. Всередині конічного оправлення герметично закріплене оправлення 27 з ов нержавіючої сталі з вікном 28. Конічне оправлення встановлюється в конічний отвір обойми робочої камери і притискаються гвинтами 29. Герметичність з'єднання при посадці конічного оправлення в конічний отвір но забезпечується кільцевою прокладкою 30 з індію, що встановлюється в канавці.The thermostated chamber 16 of the cryostat 1 (see Fig. 3) is made of copper with a brass clip 25 with conical holes at the place of installation of the window inlets. The outer landing part of the window inlets is a conical frame 26 made of brass. Inside the conical frame is a hermetically fixed frame 27 made of stainless steel with a window 28. The conical frame is installed in the conical hole of the working chamber clamp and is pressed with screws 29. The tightness of the connection when fitting the conical frame into the conical hole is ensured by an annular gasket 30 made of indium, which is installed in the groove

Працює пристрій у такий спосіб.The device works in the following way.

Залежно від умов експерименту, встановлюють у термостатовану камеру 16 кріостата 1 змінні віконні ду зо введення, для чого змінні конічні оправлення 28 із оправленнями 27 і різними спектральними вікнами 28 встановлюють в конічний отвір обойми 25 і притискують гвинтами 29. Герметичність з'єднання забезпечується - кільцевою прокладкою 30 з індію. Встановлюють радіаційний екран 9, закріплюючи притискувальний фланець 21 М на фланці 22. Встановлюють зовнішній кожух 7, закріплюючи притискувальний фланець 23 на фланці 24.Depending on the conditions of the experiment, variable window inlet nozzles are installed in the thermostatic chamber 16 of the cryostat 1, for which the variable conical frames 28 with frames 27 and different spectral windows 28 are installed in the conical hole of the clamps 25 and pressed with screws 29. The tightness of the connection is ensured by a ring 30 indium spacer. Install the radiation shield 9, fixing the clamping flange 21 M on the flange 22. Install the outer casing 7, fixing the clamping flange 23 on the flange 24.

Вакуумують порожнину під зовнішнім кожухом 7. Заповнюють резервуар рідкого азоту 8, який радіаційним екранам о 9, що обхоплює резервуар-живильник 10, й інші деталі, охолоджує їх до найнижчого температурного рівня. сThe cavity under the outer casing 7 is vacuumed. The liquid nitrogen tank 8 is filled, which cools them to the lowest temperature level with the radiation shields 9, which surround the feeder tank 10, and other parts. with

Заповнюють резервуар-живильник 10 кріогенною рідиною. Рівень кріогенної рідини в резервуарі-живильнику визначається візуально за допомогою поплавкового покажчика рівня 17. Об'єкт дослідження вводиться в термостатовану камеру 16 за допомогою штока 19, виконаного у вигляді особливо тонкостінної трубки з матеріалу з низькою теплопровідністю. Шток пропущений через заглушку 20, встановлену на верхньому зрізі труби підвісу. «Fill the feeder tank 10 with cryogenic liquid. The level of the cryogenic liquid in the reservoir-feeder is determined visually using the float level indicator 17. The research object is introduced into the thermostatic chamber 16 using a rod 19 made in the form of a particularly thin-walled tube made of a material with low thermal conductivity. The rod is passed through the plug 20 installed on the upper section of the suspension pipe. "

Датчик 2 системи терморегулювання змонтований на штоку 19 і вводиться до термостатованої камери разом з шв с об'єктом дослідження.Sensor 2 of the thermoregulation system is mounted on rod 19 and is introduced into the thermostated chamber together with the object of study.

Для одержання заданої температури необхідно забезпечити потік кріосагента в термостатованій камері )» кріостата. Цей потік забезпечує контур підтримання тиску кріогенної рідини. Кріогенна рідина чи її пари, що знаходяться в резервуарі 10 кріостата під тиском, підтримуваним клапаном постійного тиску 6, надходять Через теплообмінну форкамеру 13 у термостатовану камеру 16. У ній і здійснюється кріостатування досліджуваногоTo obtain the specified temperature, it is necessary to ensure the flow of the cryoagent in the thermostated chamber of the cryostat. This flow provides a circuit for maintaining the pressure of the cryogenic liquid. The cryogenic liquid or its vapors, which are in the tank 10 of the cryostat under pressure maintained by the constant pressure valve 6, enter through the heat exchange pre-chamber 13 into the thermostated chamber 16. Cryostatization of the test object is carried out in it

ГІ об'єкта потоком газу. Керування цим потоком здійснюється регулятором витрат 5, що є виконавчим механізмом контуру терморегулювання і стабілізації температури. Термостатування камери 16 здійснюється шляхом о регулювання подачі в неї газоподібного чи рідкого крісагента і нагріванням форкамери електронагрівачем 4. -І При заміні віконних введень (залежно від умов експерименту) необхідно злити кріоагенти, відігріти 5ор Кріостат, заповнити вакуумні порожнини кріостата повітрям. Від'єднати фланець 23 від фланця 24 і зняти ве зовнішній кожух 7, від'єднати фланець 21 від фланця 22 і зняти радіаційний екран 9, відгвинтити гвинти 29 і с зняти необхідну кількість оправлень 26 (залежно від умов експерименту). Після заміни оправлень кріостат знову збирають. Таким чином запропонований кріостат можна використовувати стільки разів, скільки необхідно, в той час як в звичайних кріостатах віконні введення незмінні, що потребує необхідність заміни змінного блоку в кріостаті для кожного дослідження, чи навіть окремий кріостат.GI of the object by the flow of gas. This flow is controlled by the flow controller 5, which is the executive mechanism of the thermoregulation and temperature stabilization circuit. Chamber 16 is thermostated by adjusting the supply of gaseous or liquid cryoagent into it and heating the prechamber with an electric heater 4. -I When replacing the window inlets (depending on the conditions of the experiment), it is necessary to drain the cryoagents, warm up the cryostat to 5°C, and fill the vacuum cavities of the cryostat with air. Disconnect the flange 23 from the flange 24 and remove the outer casing 7, disconnect the flange 21 from the flange 22 and remove the radiation screen 9, unscrew the screws 29 and remove the necessary number of frames 26 (depending on the conditions of the experiment). After replacing the frames, the cryostat is assembled again. Thus, the proposed cryostat can be used as many times as necessary, while in conventional cryostats the window inputs are unchanged, necessitating the need to replace the replaceable block in the cryostat for each study, or even a separate cryostat.

Claims (1)

- Формула винаходу во Терморегульований кріостатний пристрій, що містить кріостат з резервуаром для кріогенної рідини зі знімними радіаційними екранами, що обхоплюють резервуар-живильник з клапаном постійного тиску і перемикаючим вентилем, теплообмінну форкамеру, термостатну камеру, а також систему терморегулювання і стабілізації температури, який відрізняється тим, що віконне введення термостатної камери кріостата виконано роз'ємним у вигляді двох співвісних конічних оправок, одна з котрих з'єднана з камерою, а інша утримує- The formula of the invention in Thermoregulated cryostat device, which contains a cryostat with a reservoir for cryogenic liquid with removable radiation shields, covering a reservoir-feeder with a constant pressure valve and a switching valve, a heat exchange forechamber, a thermostatic chamber, as well as a thermoregulation and temperature stabilization system, which differs by the fact that the window inlet of the cryostat thermostatic chamber is detachable in the form of two coaxial conical mandrels, one of which is connected to the chamber, and the other holds 65 необхідне спектральне вікно, причому оправки мають кільцеву канавку, у якій розташована прокладка.65 a spectral window is required, and the mandrels have an annular groove in which the spacer is located.