Криостаты представляют собой устройства, предназначенные для создания и поддержания устойчиво низких температур в пределах от нескольких Кельвин до милликельвинного диапазона. Основная задача конструктора криостата заключается в обеспечении минимальных тепловых потерь, стабильного температурного режима и механической устойчивости при экстремально низких температурах.
Жидкостные криостаты Используют жидкий гелий или жидкий азот в качестве охлаждающей среды. Основной принцип — прямой контакт охлаждаемого образца с жидкостью или с холодной поверхностью, соединённой с резервуаром. Ключевые параметры: теплоёмкость жидкости, теплопроводность стенок, скорость испарения.
Размагничивающие (адибатические) криостаты Охлаждение достигается за счёт размагничивания ферромагнитных или парамагнитных материалов при изоляции от внешнего тепла. Конструкция включает магнитную систему, теплоизоляцию и термометрический контроль.
Пробоночные криостаты с тепловым экраном Часто используются в спектроскопии и физике низких температур. Внутренний объём, где размещается образец, изолирован тепловыми экранами, соединёнными с промежуточными источниками охлаждения.
Ключевым фактором в конструировании криостата является снижение тепловых потоков от окружающей среды к охлаждаемому образцу. Основные механизмы теплопередачи:
Теплопроводность Минимизируется использованием материалов с низкой теплопроводностью (например, стекло, полиимиды, керамика) для опорных элементов и подвесов. Металлические компоненты выполняют тонкими и длинными для увеличения теплового сопротивления.
Конвекция Исключается за счёт высокого вакуума в теплоизолирующих камерах. Вакуумные оболочки создают барьер для газа, предотвращая передачу тепла.
Излучение Ограничивается многослойной теплоизоляцией (MLI), состоящей из отражающих фольгированных слоёв и диэлектрических прокладок. Каждое отражающее покрытие значительно снижает тепловое излучение от стенок к внутреннему объёму.
Резервуары для криогенной жидкости Конструкция резервуаров предусматривает минимизацию поверхностей контакта с внешней средой. Используются теплоизоляционные опоры и тонкостенные материалы, стойкие к криогенным температурам.
Тепловые экраны Чаще всего из алюминиевых или медных листов с высокой отражательной способностью. Экран может быть соединён с промежуточным охлаждением (например, жидким азотом) для снижения тепловой нагрузки на основной резервуар.
Опоры и подвесы Обеспечивают механическую фиксацию внутреннего объёма без значительной теплопроводности. Важна геометрия: тонкие стержни, длинные капилляры, узкие трубки.
Криогенные соединения и трубопроводы Для транспортировки жидкого гелия или азота используют минимально длинные пути с высокой изоляцией. Трубопроводы часто гофрированные, чтобы компенсировать термические деформации и снизить теплопередачу.
Для точного контроля температуры криостаты оснащаются термометрами различного типа: резистивными, термоэлектрическими, магнитными. Важные аспекты:
Современные криостаты часто используют несколько уровней охлаждения:
Каждая ступень снижает нагрузку на следующую, обеспечивая высокую эффективность и стабильность температуры на уровне десятков миллиКельвин.