Введение

Охлаждающее устройство

Криостат (от cryo, означающего холод, и stat, означающего стабильность) – это устройство, используемое для поддержания низких криогенных температур образцов или устройств, размещенных внутри криостата. Низкие температуры в криостате могут поддерживаться различными методами охлаждения, наиболее распространенным из которых является использование криогенной жидкостной ванны, например, жидкого гелия. Поэтому криостат обычно собирается в сосуд, конструкция которого схожа с вакуумной колбой или сосудом Дьюара. Криостаты находят широкое применение в науке, технике и медицине.

Криостаты с замкнутым циклом

Криостаты с замкнутым циклом состоят из камеры, через которую прокачивается холодный гелиевый пар. Внешний механический холодильник отводит более теплый гелиевый отработанный пар, который охлаждается и возвращается в цикл. Криостаты с замкнутым циклом потребляют относительно большое количество электроэнергии, но не требуют дозаправки гелием и могут работать непрерывно неограниченно долго. Охлаждение объектов осуществляется путем крепления их к металлической холодной пластине внутри вакуумной камеры, находящейся в тепловом контакте с камерой, содержащей гелиевый пар.

Криостаты с непрерывным потоком

Криостаты с непрерывным потоком охлаждаются жидкими криогенами (обычно жидким гелием или азотом) из девара хранения. По мере кипения криогена в криостате, он непрерывно пополняется постоянным потоком из девара хранения. Контроль температуры образца внутри криостата обычно осуществляется регулированием скорости потока криогена в криостат совместно с нагревательным элементом, подключенным к контуру PID-регулирования температуры. Время, в течение которого возможно поддержание охлаждения, определяется объемом доступных криогенов. В связи с дефицитом жидкого гелия, некоторые лаборатории оснащены системами для улавливания и рекуперации гелия, выходящего из криостата, хотя эксплуатация этих систем также является дорогостоящей.

Криостаты для ванны

Криостаты для ванны по конструкции аналогичны вакуумным колбам, заполненным жидким гелием. Холодная пластина помещается в тепловой контакт с ванной жидкого гелия. Жидкий гелий может пополняться по мере испарения, с интервалами от нескольких часов до нескольких месяцев, в зависимости от объема и конструкции криостата. Скорость испарения минимизируется за счет экранирования ванны холодным гелиевым паром или вакуумным экраном со стенками из сверхизоляционного материала. Гелиевый пар, испаряющийся из ванны, очень эффективно охлаждает тепловые щиты, окружающие внешнюю сторону ванны. В более ранних конструкциях могла присутствовать дополнительная ванна с жидким азотом или несколько концентрических слоев экранирования с постепенно возрастающей температурой. Однако изобретение сверхизоляционных материалов сделало эту технологию устаревшей.

Многоступенчатые криостаты

Для достижения температур ниже температуры жидкого гелия при атмосферном давлении к криостату могут быть добавлены дополнительные ступени охлаждения. Температуры до 1 К могут быть достигнуты путем присоединения холодной пластины к 1 К-пот, который представляет собой сосуд, содержащий изотоп He 4, который может быть откачан до низкого давления паров с помощью вакуумного насоса. Температуры, немного ниже 0,300 К, могут быть достигнуты при использовании He 3, редкого изотопа гелия, в качестве рабочего тела в гелиевом поте. Температуры до 1 мК могут быть достигнуты с использованием разбавительного холодильника или сухого разбавительного холодильника, как правило, в дополнение к основной ступени и 1 К-поту. Температуры ниже этого могут быть достигнуты с помощью магнитной рефрижерации.

Типы магнитов для магнитно-резонансной томографии и исследований

Криостаты, используемые в аппаратах МРТ, предназначены для поддержания криогена, как правило гелия, в жидком состоянии с минимальным испарением (выкипанием). Жидкая гелиевая ванна предназначена для поддержания обмотки сверхпроводящего магнита из сверхпроводящего провода в сверхпроводящем состоянии. В этом состоянии провод не имеет электрического сопротивления, и очень большие токи поддерживаются при низкой потребляемой мощности. Для поддержания сверхпроводимости обмотку необходимо поддерживать ниже температуры перехода, погружая её в жидкий гелий. Если по какой-либо причине провод становится резистивным, то есть теряет сверхпроводимость, состояние, известное как "сброс" (quench), жидкий гелий испаряется, мгновенно повышая давление внутри сосуда. Разрывной диск, обычно изготовленный из углерода, устанавливается в дымоходе или вентиляционном канале, чтобы во время превышения давления газообразный гелий мог безопасно выводиться из помещения МРТ. Современные криостаты МРТ используют механический холодильник (криокулер) для повторной конденсации гелиевого газа и возврата его в ванну, для поддержания криогенных условий и экономии гелия. Обычно криостаты изготавливаются с двумя сосудами, один внутри другого. Внешний сосуд эвакуируется, а вакуум служит теплоизолятором. Внутренний сосуд содержит криоген и поддерживается внутри внешнего сосуда конструкциями из материалов с низкой теплопроводностью. Промежуточный экран между внешним и внутренним сосудами перехватывает тепло, излучаемое внешним сосудом. Это тепло отводится криокулером. В более старых гелиевых криостатах в качестве радиационного экрана использовался сосуд с жидким азотом, а жидкий гелий находился во внутреннем, третьем, сосуде. В настоящее время производится немного устройств, использующих несколько криогенов, и наблюдается тенденция к "безкриогенным" криостатам, в которых все тепловые нагрузки отводятся криокулерами.

Биологический тип микротома

Криостаты используются в медицине для получения гистологических срезов. Обычно они применяются в процессе, называемом гистологией замороженных срезов (см. Процедура получения замороженных срезов). Криостат по сути представляет собой ультратонкий "нарезчик", называемый микротомом, помещенный в морозильную камеру. Криостат обычно является стационарной вертикальной морозильной камерой с внешним колесом для вращения микротома. Температуру можно регулировать в зависимости от типа ткани, обычно в диапазоне от −20 °C до −30 °C. Морозильная камера может питаться от электричества или хладагента, такого как жидкий азот. Доступны небольшие портативные криостаты, которые могут работать от генераторов или инверторов транспортных средств. Для минимизации нежелательного нагрева все необходимые механические движения микротома могут осуществляться вручную с помощью колеса, расположенного за пределами камеры. В более новых микротомах предусмотрено электрическое кнопочное продвижение ткани. Точность резания составляет микрометры. Ткани могут быть нарезаны тонкими срезами толщиной до 1 микрометра. Обычно гистологические срезы монтируются с толщиной около 7 микрометров. Мягкие при комнатной температуре образцы фиксируются на среде для резки (часто на основе яичного белка) на металлическом держателе и замораживаются до температуры резки (например, при −20 °C). После замораживания образец на держателе крепится к микротому. Вращается ручка, и образец продвигается к режущему лезвию. Как только образец нарезается до удовлетворительного качества, он монтируется на теплое (комнатной температуры) чистое стеклянное стекло, где он мгновенно тает и прилипает. Стеклянный слайд и образец высушиваются в сушилке или на воздухе и окрашиваются. Весь процесс от подготовки до анализа слайда занимает от 10 до 20 минут, что позволяет быстро проводить диагностику в операционной при хирургическом удалении рака. Криостат может использоваться для получения гистологических и тканевых срезов (например, для локализации ферментов) вне медицины, но качество срезов уступает стандартным фиксированным срезам, установленным в парафин.