Проточный оптический криостат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ii ö 794344

Союз Советских

Сециалистических. Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 06.02.78 (21) 2581352/28-26 (51) М. Кл.з

F 25 D 3/10 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР (53) УДК 621.59 (088.8) (43) Опубликовано 07.01.81. Бюллетень № 1 (45) Дата опубликования описания 07.01.81 по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

Ю. Н. Стельмахов, А. И. Беляева и В. И. Силаев

Физико-технический институт низких температур

АН Украинской ССР (54) ПРОТОЧНЫЙ ОПТИ ЧЕСКИ И КРИОСТАТ

Изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к оптическим проточным криостатам, в которых объект непосредственно соприкасается с принудительно подаваемым хладагентом заданной температуры, и может быть использовано для получения низких температур в широком интервале при оптических исследованиях и в оптических приборах.

Известны проточные оптические криоста- 10 ты с принудительно подаваемым хладагентом на охлаждаемый объект, содержащие теплоизолированную рабочую камеру с охлаждаемым объектом, теплоизолированные трубопроводы принудительной подачи и от- 15 вода хладагента, теплообменник с нагревателем для варьирования температуры хладагента и оптические окна. Причем обычно охлаждаемый объект отделяют от наблюдателя два оптических окна с вакуумным 20 промежутком между ними. Эти криостаты имеют признанные преимущества перед известными проточными оптическими криостатами, в которых охлаждаемый объект находится в теплообменном газе или ваку- 25 уме, так как позволяют обеспечить эффективный теплоотвод и минимальный градиент температуры на поверхности объекта даже в случае значительного теплоподвода к нему, а также устранить деформационные 30 напряжения, неизбежно возникающие в объекте, находящемся в вакууме, при креплении его на теплообменник.

Известен также проточный оптический криостат, принятый за прототип, содержащий теплоизолированную рабочую камеру с оптическими окнами, теплоизолированный трубопровод подачи хладагента в камеру с размещенным на нем нагревателем и трубопровод отвода хладагента.

В этом криостате для смены образца требуется слить жидкий хладагент, отогреть криостат до комнатной температуры и развакуумировать. Это приводит к большим потерям хладагента и увеличению времени эксперимента. Отсутствие холодных окон, дающее, с одной стороны, положительный эффект в этом криостате, приводит, с другой стороны, к нежелательному градиенту температуры на образце и к механическим деформациям образца в результате крепления его к теплообменнику в вакууме. Причем оптические окна испытывают перепад давления и связанные с этим деформационные напряжения, приводящие к деполяризации поляризованного света.

Цель изобретения — улучшение работы устройства за счет устранения деформационных напряжений в стенках окон.

Поставленная цель достигается тем, что рабочая камера снабжена теплоизолированными соосно установленными трубами из материала с низкой теплопроводностью, одними концами закрепленными в камере, а другими — герметично соединенными с оптическими окнами.

Кроме того, чтобы предотвратить охлаждение оптического окна, каждая из труб снабжена теплообменником или нагревателем, установленным перед окном, и диафрагмами в виде плоских колец, размещенными на внутренней поверхности трубы, а для расширения функциональных возможностей криостата одна из труб выполнена телескопической и снабжена эластичным кольцевым уплотнением.

У диафрагм диаметр отверстия может изменяться вдоль трубы согласно требуемой апертуре проходящего света. С целью устранения резонансных пульсаций газа в трубе распределение диафрагм неравномерное, причем расстояние между ними уменьшается в сторону рабочей камеры, что обеспечивает максимальный градиент температуры в прилегающем к рабочей камере конце трубы.

Устранение теплообмена оптического окна с расочей камерой в предложенной конструкции позволяет устранить поляризационные искажения света, обусловленные зависящими от температуры деформационными напряжениями этих окон. При этом охлаждаемый объект отделен от наблюдателя только одним оптическим окном. Таким образом уменьшаются поляризационные искажения света, связанные с наличием дополнительного неидеального окна.

На фиг. 1 изображен общий вид предложенного проточного криостата; на фиг. 2— оптимальный вариант выполнения криостата; на фиг. 3 — разрез по А — А фиг. 2; оптического криостата в разрезе; на фиг.

4 — разрез по Б — Б фиг. 2.

Криостат имеет рабочую камеру 1 с охлаждаемым объектом 2, окруженную теплоизоляцией 3, теплоизолированные трубопроводы для подачи 4 и отвода 5 хладагента, теплообменник 6 с нагревателем 7 для регулирования температуры хладагента, оптические окна 8, герметично установленные в торце тонкостенной трубы 9, диафрагмы 10, нагреватель или теплообменник

11 для компенсации теплообмена оптического окна с рабочей камерой по газообразному хладагенту внутри и по стенке трубы 9. Рабочая камера 1, трубопроводы

4, 5 и трубы с оптическими окнами 8 могут иметь общую, например, вакуумную теплоиз ол яци ю.

Хладагент из транспортного сосуда принудительно подается по трубопроводу 4 через теплообменник 6 с нагревателем 7, где подогревается до заданной температуры, в рабочую камеру 1, откуда удаляется

Зо

55 бо б5 по трубопроводу 5. ОбъеКт 2, охлцждаеммВ протекающим через рабочую камеру хладагентом, находится в пучке света, проходящего через оптические окна 8, Вариантом оптимального выполнения криостата может служить проточный оптический криостат для исследования взаимодействия объекта со светом в магнитном поле сверхпроводящего соленоида (см. фиг. 2).

Рабочая камера 1 с объектом 2 образована трубой 9, выходящей одним концом к оптическому окну 8, другой конец которой образует стенку трубопроводов 4 и 5. В направлении оптической оси криостата она ограничена торцами диафрагмированных труб 12 и 13 с оптическими окнами 8 на внешних торцах.

Объект 2 вставляется в рабочую камеру

1 вместе с окном 8 на трубе 12, которая герм етизируется эластичным кольцевым уплотнением 14 в трубе 9, т. е. труба 9 выполнена телескопической, Труба 15 образует наружную стенку вакуумной теплоизоляции 3 криостата.

Трубопроводы 4 и 5, выполненные симметрично, имеют переход с круглого сечения на прямоугольное (см. фиг. 3) и далее переходят в зазор между коаксиальными трубами 9 и 16, В этом зазоре они разделены продольными вкладышами 17 (см. фиг. 4). Теплообменник 6 с нагревателем 7 вставлен в зоне круглого сечения трубопровода 4.

Охлаждаемый объект вращается вокруг оси проходящего света вместе с трубой 12 в уплотнении 14 и может перемещаться вдоль оси.

В данной конструкции оптимальным будет использование электрического нагревателя 11, вписывающегося в диаметр наружной трубы 15 криостата. Этот криостат может быть вставлен в с верх проводящий или импульсный соленоид, а также в другие устройства экспериментальной техники, например между полюсами магнита и может быть использован как самостоятельное устройство не только в видимой области электромагнитных волн, но и в рентгеновском, ультрафиолетовом, инфракрасном и

СВЧ диапазонах с применением соответствующих материалов для окон. Возможно также электронное облучение охлаждаемого объекта.

Устранение теплообмена оптических окон проточного оптического криостата с рабочей камерой позволяет поддерживать их при комнатной температуре и таким образом избавиться от деполяризации и хроматической аберрации проходящего поляризованного света, вызываемых низкотемпературным деформационным напряжением оптических окон. Уменьшение количества окон, отделяющих охлаждаемый объект от наблюдателя, также приводит к уменьше794344 иию искажений проходящего света, связанных с неидеальностью оптических окон, достаточно простой герметизации, что приводит к уменьшению деформационных напряжений окон и позволяет в качестве окна использовать элементы оптической системы, например поляризатор или линзу.

В предложенной конструкции криостата охлаждаемый объект вводится в рабочую камеру вместе с окном, чем облегчается 1О смена объекта и упрощается механизм вращения объекта вокруг оси проходящего света совместно с продольным перемещением, выполненный заодно с кольцевым уплотнением окна. В данном криостате также отсутствует разъюстировка объекта, связанная обычно с укорочением и колебаниями охлаждаемого длинного держателя.

Описанный криостат также отличается ма-. лыми габаритами и металлоемкостью. 20

Благодаря малой массе охлаждаемых конструкций криостат отличается экономичностью и большой скоростью регулирования температуры.

При диаметре объекта до 11 мм и толщи- 25 не в 5 мм диаметр наружной трубы криостата равен 16 мм, а расстояние между окнами 130 мм. Через рабочую камеру может проходить газо-жидкостная смесь, что позволяет плавно регулировать температу- 30 ру охлаждаемого объекта вплоть до температуры жидкого хладагента.

Формула изобретения

1. Проточный оптический криостат, содержащий теплоизолированную рабочую камеру с оптическими окнами, теплоизолированный трубопровод подачи хладагента в камеру с размещенным на нем нагревателем и трубопровод отвода хладагента, отличающийся тем, что, с целью улучшения работы устройства за счет устранения деформационных напряжений в стенках окон, рабочая камера снабжена теплоизолированными соосно установленными трубами из материала с низкой теплопроводностью, одними концами закрепленными в камере, а другими — герметично соединенными с оптическими окнами.

2. Криостат по п. 1, отлич ающийся тем, что, с целью улучшения работы устройства за счет предотвращения охлаждения оптического окна, каждая из труб снабжена теплообменником или нагревателем, установленным перед окном, и диафрагмами в виде плоских колец, размещенными на внутренней поверхности трубы, 3. Криостат по пп. 1 — 2, отличающий; с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, одна из труб выполнена телескопической и снабжена эластичным кольцевым уплотнением.

794344

Аа/

Фиг. 1

Составитель Г. Ольшанская

Техред Л. Куклина Корректор Н. Федорова

Редактор П. Горькова

Заказ 220/17 Изд. № 168 Тираж 581 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

/7