Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Салқындату құрылғысы
Cooling device
Криостат (крио – суық, стат – тұрақты деген мағынаны білдіреді) – криостатқа орналастырылған үлгілердің немесе құрылғылардың төмен криогендік температурасын сақтауға қолданылатын құрылғы. Криостаттың ішіндегі төмен температураны әртүрлі салқындату әдістері арқылы ұстауға болады, ең көп қолданылатыны – сұйық гелий сияқты криогендік сұйықтықпен толтырылған ваннаны пайдалану. Сондықтан, криостат әдетте вакуумдік колбаға немесе Деварға ұқсас конструкциядағы ыдысқа құрастырылады. Криостаттар ғылым, инженерия және медицина салаларында кеңінен қолданылады.
A cryostat (from cryo meaning cold and stat meaning stable) is a device used to maintain low cryogenic temperatures of samples or devices mounted within the cryostat. Low temperatures may be maintained within a cryostat by using various refrigeration methods, most commonly using cryogenic fluid bath such as liquid helium. Hence it is usually assembled into a vessel, similar in construction to a vacuum flask or Dewar. Cryostats have numerous applications within science, engineering, and medicine.
Жабық циклді криостаттар
Жабық циклді криостаттар суық гелий буын қанағаттандыратын камерадан тұрады. Сыртқы механикалық тоңазытқыш жылы гелий буын сығырып шығарады, оны салқындатып, қайта пайдалануға жібереді. Жабық циклді криостаттар салыстырмалы түрде көп электр қуатын тұтынады, бірақ гелийді қайта толтыру қажеттілігі болмайды және олар белгісіз мерзімге үздіксіз жұмыс істей алады. Заттарды вакуум камерасының ішіндегі металл суық пластинаға орналастыру арқылы салқындатуға болады, ол гелий бу камерасымен жылулық байланыста болады.
Closed cycle cryostats consist of a chamber through which cold helium vapour is pumped. An external mechanical refrigerator extracts the warmer helium exhaust vapour, which is cooled and recycled. Closed cycle cryostats consume a relatively large amount of electrical power, but need not be refilled with helium and can run continuously for an indefinite period. Objects may be cooled by attaching them to a metallic cold plate inside a vacuum chamber which is in thermal contact with the helium vapour chamber.
Тұрақты ағынды криостаттар
Тұрақты ағынды криостаттар сақтау деуарынан сұйық криогендермен (әдетте сұйық гелий немесе азот) салқындатылады. Криоген криостат ішінде қайнағанда, сақтау деуарынан тұрақты ағын арқылы үнемі толықтырылады. Криостат ішіндегі үлгінің температурасын бақылау әдетте криогеннің криостатқа ағынын, PID температураны бақылау тізбегіне қосылған қыздыру сымымен бірге реттеу арқылы жүзеге асырылады. Салқындатуды қамтамасыз ету мерзімі қолда бар криогендердің көлемімен анықталады. Сұйық гелийдің тапшылығына байланысты, кейбір зертханаларда криостаттан шығатын гелийді ұстап алу және қайта пайдалануға арналған жабдықтар бар, бірақ мұндай жабдықтарды пайдалану да қымбатқа түседі.
Continuous flow cryostats are cooled by liquid cryogens (typically liquid helium or nitrogen) from a storage dewar. As the cryogen boils within the cryostat, it is continuously replenished by a steady flow from the storage dewar. Temperature control of the sample within the cryostat is typically performed by controlling the flow rate of cryogen into the cryostat together with a heating wire attached to a PID temperature control loop. The length of time over which cooling may be maintained is dictated by the volume of cryogens available. Owing to the scarcity of liquid helium, some laboratories have facilities to capture and recover helium as it escapes from the cryostat, although these facilities are also costly to operate.
Ванналық криостаттар
Ванналық криостаттар құрылысы жағынан сұйық гелийге толы вакуумдік колбаларға ұқсас. Салқыңдату пластинасы сұйық гелий ваннасымен жылулық байланысқа орналастырылады. Сұйық гелий қайнап кеткен кезде, криостаттың көлемі мен құрылысына байланысты бірнеше сағаттан бірнеше айға дейін аралықтарда толықтырылуы мүмкін. Қайнау жылдамдығы ваннаны суық гелий буымен немесе суперизолятор материалдан жасалған қабырғалары бар вакуумдық қалқанмен қоршау арқылы азайтылады. Ваннадан қайнап шығатын гелий буы ваннаның сыртындағы жылу қалқандарын тиімді түрде салқындатады. Ескі конструкцияларда қосымша сұйық азот ваннасы немесе температурасы біртіндеп жоғарылайтын бірнеше концентрлі қабаттар болуы мүмкін. Дегенмен, суперизолятор материалдарының ойдағыдай жұмыс істеуі бұл технологияны қолданудан шығарды.
Bath cryostats are similar in construction to vacuum flasks filled with liquid helium. A cold plate is placed in thermal contact with the liquid helium bath. The liquid helium may be replenished as it boils away, at intervals between a few hours and several months, depending on the volume and construction of the cryostat. The boil off rate is minimised by shielding the bath with either cold helium vapour, or vacuum shield with walls constructed from super insulator material. The helium vapour which boils away from the bath very effectively cools thermal shields around the outside of the bath. In the older designs there may be additional liquid nitrogen bath, or several concentric layers of shielding, with gradually increasing temperatures. However, the invention of super insulator materials has made this technology obsolete.
Көп сатылы криостаттар
Атмосфералық қысымда сұйық гелийден төмен температураға жету үшін криостатқа қосымша салқындату сатылары қосылуы мүмкін. Суық пластинаны 1 К ыдысына бекіту арқылы 1 К-қа дейінгі температураға қол жеткізуге болады, бұл ыдыс вакуумдық сорғы арқылы төмен бу қысымына дейін соратын He 4 изотобын қамтиды. Гелийдің сирек изотобы He 3-ті гелий ыдысындағы жұмыс сұйықтығы ретінде пайдалану арқылы 0,300 К-тан төмен температураға қол жеткізуге болады. Әдетте, негізгі саты мен 1 К ыдыстан өзге, сұйыту тоңазытқышын немесе құрғақ сұйыту тоңазытқышын қолдану арқылы 1 мК-қа дейінгі температураға жетуге болады. Одан төмен температураға магниттік салқындату арқылы қол жеткізіледі.
In order to achieve temperatures lower than liquid helium at atmospheric pressure, additional cooler stages may be added to the cryostat. Temperatures down to 1 K can be reached by attaching the cold plate to a 1 K pot, which is a container of the He 4 isotope that may be pumped to low vapor pressure via a vacuum pump. Temperatures just below 0.300 K may be achieved using He 3, the rare isotope of helium, as the working fluid in a helium pot. Temperatures down to 1 mK can be reached by employing dilution refrigerator or dry dilution refrigerator typically in addition to the main stage and 1 K pot. Temperatures below that can be reached using magnetic refrigeration.
Магниттік резонанстық бейнелеу және зерттеу магниттерінің түрлері
МРТ машиналарында қолданылатын криостаттар криогенді, әдетте гелийді, сұйық күйде минималды буланумен (қайнау) ұстауға арналған. Сұйық гелий ваннасы суперөткізгіш магниттің суперөткізгіш сымнан жасалған орамды суперөткізгіш күйде ұстауға арналған. Бұл күйде сымның электрлік кедергісі болмайды және аз қуатпен өте үлкен ток сақталады. Суперөткізгіштікті сақтау үшін орам сұйық гелийге батырылып, оның өтпелі температурасынан төмен ұсталуы керек. Егер қандай да бір себеппен сым кедергіге ұшыраса, яғни суперөткізгіштігін жоғалтса, «қуылу» деп аталатын жағдай туындайды, сұйық гелий буланып, ыдыстағы қысымды бірден арттырады. Газды гелийді МРТ бөлмесінен қауіпсіз түрде шығарып тастау үшін көбінесе көміртектен жасалған жарылу дискісі түтін шығару құбырына немесе желдеткіш құбырға орналастырылады. Қазіргі заманғы МРТ криостаттары механикалық тоңазытқышты (криокүшгішті) пайдаланады, ол гелий газын қайта конденсациялап, ваннаға қайтарады, криогендік жағдайларды сақтайды және гелийді үнемдейді. Әдетте криостаттар екі ыдыспен жасалады, бірі екіншісінің ішінде орналасқан. Сыртқы ыдыс вакууммен босатылады, ал вакуум жылу оқшаулағышы ретінде қызмет етеді. Ішкі ыдыста криоген болады және төмен өткізгіштігі бар материалдардан жасалған құрылымдармен сыртқы ыдыста бекітіледі. Сыртқы және ішкі ыдыстар арасындағы аралық қалқан сыртқы ыдыстан келетін жылуды тоқтатады. Бұл жылу криокүшгішпен алынады. Ескі гелий криостаттары сұйық азот ыдысын сәулелену қалқаны ретінде пайдаланып, сұйық гелийді ішкі, үшінші ыдыста сақтаған. Бүгінде көп криоген қолданатын құрылғылар аз, және «криогенсіз» криостаттарға көшу байқалады, онда барлық жылу жүктемелері криокүшгіштермен алынады.
Cryostats used in MRI machines are designed to hold a cryogen, typically helium, in a liquid state with minimal evaporation (boil off). The liquid helium bath is designed to keep the superconducting magnet's bobbin of superconductive wire in its superconductive state. In this state, the wire has no electrical resistance and very large currents are maintained with low power input. To maintain superconductivity, the bobbin must be kept below its transition temperature by being immersed in the liquid helium. If, for any reason, the wire becomes resistive, i. e. loses superconductivity, a condition known as a "quench", the liquid helium evaporates, instantly raising pressure within the vessel. A burst disk, usually made of carbon, is placed within the chimney or vent pipe so that during a pressure excursion, the gaseous helium can be safely vented out of the MRI suite. Modern MRI cryostats use a mechanical refrigerator (cryocooler) to re condense the helium gas and return it to the bath, to maintain cryogenic conditions and to conserve helium. Typically cryostats are manufactured with two vessels, one inside the other. The outer vessel is evacuated with the vacuum acting as a thermal insulator. The inner vessel contains the cryogen and is supported within the outer vessel by structures made from low conductivity materials. An intermediate shield between the outer and inner vessels intercepts the heat radiated from the outer vessel. This heat is removed by a cryocooler. Older helium cryostats used a liquid nitrogen vessel as this radiation shield and had the liquid helium in an inner, third, vessel. Nowadays few units using multiple cryogens are made with the trend being towards 'cryogen free' cryostats in which all heat loads are removed by cryocoolers.
Биологиялық микротом түрі
Криостаттар медицинада гистологиялық препараттарды кесу үшін қолданылады. Олар көбінесе мұздатылған тіндерді зерттеу (қаңыр секция процедурасын қараңыз) деп аталатын процесте пайдаланылады. Криостат – микротом деп аталатын өте жұқа кесетін құрал, ол тоңазытқышқа орналастырылған. Криостат әдетте микротомды айналдыруға арналған сыртқы дөңгелегі бар, тік тұрған тоңазытқыш болып келеді. Температура кесілетін тіндің түріне байланысты -20°C-тан -30°C-қа дейін өзгертілуі мүмкін. Тоңазытқыш электр қуатымен немесе сұйық азот сияқты салқындатқышпен жұмыс істейді. Кішкентай портативті криостаттар да бар, оларды генераторлармен немесе көлік инверторларымен қосуға болады. Микротомның қажетті барлық механикалық қозғалыстарын камераның сыртында орналасқан дөңгелек арқылы қолмен жасауға болады. Жаңа микротомдарда тінді жылжыту үшін электрлік батырмалар қарастырылған. Кесудің дәлдігі микрометрмен өлшенетіндей жоғары. Тіндер 1 микрометрге дейін жұқа кесіледі. Әдеттегі гистологиялық препараттар 7 микрометрдей қалыңдықпен орнатылады. Бөлме температурасында жұмсақ тіндер металл "ұстағышқа" (көбінесе жұмыртқа ағынан жасалған) орнатылып, кесу температурасына дейін (мысалы, -20°C) мұздатылады. Мұздатылғаннан кейін, тінді ұстағыштағы препарат микротомға бекітіледі. Айналдыру дөңгелегі бұрылып, препарат кесу пышағына қарай жылжиды. Егер препараттың сапасы қанағаттандырса, ол жылы (бөлме температурасындағы) таза шыныға орнатылады, онда ол бірден еріп, жабысады. Шыны және препарат кептіргішпен немесе ауада кептіріліп, боялады. Препаратты орнатудан бастап оқуға дейінгі бүкіл процесс 10-20 минутқа созылады, бұл операциялық бөлмеде рак ісігін хирургиялық жолмен алып тастау үшін жылдам диагностика жасауға мүмкіндік береді. Криостат медицинадан тыс жерлерде де гистологиялық және тіндік препараттарды кесу үшін қолданылуы мүмкін (мысалы, ферменттерді анықтау үшін), бірақ стандартты бекітілген, парафинмен қапталған гистологиямен салыстырғанда кесіндінің сапасы нашар болады.
Cryostats are used in medicine to cut histological slides. They are usually used in a process called frozen section histology (see Frozen section procedure). The cryostat is essentially an ultrafine "deli slicer", called a microtome, placed in a freezer. The cryostat is usually a stationary upright freezer, with an external wheel for rotating the microtome. The temperature can be varied, depending on the tissue being cut usually from −20 °C to −30 °C. The freezer is either powered by electricity, or by a refrigerant like liquid nitrogen. Small portable cryostats are available and can run off generators or vehicle inverters. To minimize unnecessary warming all necessary mechanical movements of the microtome can be achieved by hand via a wheel mounted outside the chamber. Newer microtomes have electric push button advancement of the tissue. The precision of the cutting is in micrometres. Tissue are sectioned as thin as 1 micrometre. Usual histology slides are mounted with a thickness of about 7 micrometres. Specimens that are soft at room temperature are mounted on a cutting medium (often made of egg white) on a metal "chuck", and frozen to cutting temperature (for example at −20 °C). Once frozen, the specimen on the chuck is mounted on the microtome. The crank is rotated and the specimen advances toward the cutting blade. Once the specimen is cut to a satisfactory quality, it is mounted on a warm (room temperature) clear glass slide, where it will instantaneously melt and adhere. The glass slide and specimen is dried with a dryer or air dried, and stained. The entire process from mounting to reading the slide takes from 10 to 20 minutes, allowing rapid diagnosis in the operating room, for the surgical excision of cancer. The cryostat can be used to cut histology and tissue slide (e. g., for enzyme localization) outside of medicine, but the quality of the section is poor compared to standard fixed section wax mounted histology.