Регулирование температуры выше точки кипения криогенной жидкости.
Регулирование температуры вне интервалов, перекрываемых путем откачки паров кипящей криогенной жидкости, представляет известные трудности, которые возрастают с увеличением необходимой точности регулирования.
В этом случае за счёт регулируемого электроподогрева температура Т объекта или объема, где располагается объект, поддерживается выше температуры криогенной жидкости. Тепло, подводимое к криогенной жидкости от объекта охлаждения за счет излучения, теплопроводности и т.д., является монотонно возрастающей функцией, поэтому подводимая мощность электроподогрева должна также монотонно увеличиваться.
Схема такого регулятора показана на 4.6. Регулирование тока в подогревателе может производиться как вручную, так и автоматически, в зависимости от показаний термометра, в качестве которого могут быть использованы газовый термометр, термометр сопротивления или термопара.
Если измерения производятся быстро и их результаты мало подвержены влиянию колебаний температуры, то регулировку тока нагревателя можно производить вручную.
Большая стабильность и удобство проведения эксперимента достигается при автоматической регулировке подогрева. Большинство систем с автоматическим подогревом основано на непрерывном регулировании. Регуляторы того типа обычно используют сигнал термопары или термометра сопротивления. После усиления сигнал подается обратно на подогреватель. Необходимая величина усилия зависит от чувствительности термометра, т.е. от величины сигнала, а также от требуемой точности стабилизации температуры.
Обычно экспериментальная камера, температура в которой должна меняться в заданном интервале, не помещается в криогенную жидкость, а находится в пространстве криостата, заполненном парами испаряющейся жидкости. Тепловой контакт камеры с криогенной жидкостью осуществляется с помощью массивного стержня, выполненного из теплопроводного материала, который погружен в жидкость. Конструкция такого устройства, показана на рис. 4.5.
Экспериментальная камера, выполненная из меди /толщиной I, 5 мм/, подвешена на тонкостенной трубке 2 из сплава с низкой теплопроводностью. В дно камеры ввинчен стержень 3, верхняя часть которого сделана из латуни, а нижняя из меди. Стержень погружен в жидкий гелий. За счет теплопроводности вдоль стержня камера стремится охладится до температуры жидкости, но вследствие выделения тепла нагревателем 4 вдоль стержня устанавливается перепад температуры и в камере устанавливается температура более высокая, чем температура криогенной жидкости, в которую погружен медный стержень. Экран 5 защищает расположенный в экспериментальной камере прибор от излучения, проходящего по трубе 2. Экспериментальная камера не герметична и заполнена газообразным гелием. При необходимости нагреватель 4 можно разместить и снаружи камеры. Даже при выключенном нагревателе 4 температура камеры в результате притока тепла будет выше температуры жидкого гелия. Если эксперимент необходимо провести при температурах
4,2 К, то с помощью нагревателя 6, расположенного в жидком гелии, можно испарить некоторое количество гелия с тем, чтобы поток холодного газа охладил камеру. При работах, когда необходимо иметь температуру в камере ниже
4,2К, количество жидкого гелия, заливаемого в криостат 7, должно быть таким, чтобы уровень жидкости был выше камеры. Понижение температуры в этом случае достигается за счет откачки паров жидкого гелия, а регулирование температуры производится одним из способов, рассмотренным в 4.
Большим преимуществом этого метода регулирования температуры является отсутствие высоковакуумных оболочек, что существенно упрощает доступ к прибору, установленному в экспериментальной камере. Изменяя мощность нагревателя, температуру камеры, можно регулировать достаточно точно.
Как было отмечено выше, непрерывные регуляторы для систем с автоматическим подогревом обычно управляются сигналом термопары для термометра сопротивления, который после усиления подается обратно на нагреватель. В зависимости от конкретных условий эксперимента выбирается тот или иной вид термометра сопротивления для этих целей является то, что он может работать на переменном токе, давай сигнал, более удобный для усиления, чем постоянное напряжение термопары. Однако термометр сопротивления сам по себе является источником тепловыделения, что является существенным неудобством при регулировании температуры камеры. Лизкой к температуре криогенной жидкости. Термопара характеризуется очень малым выделение тепла, однако менее надежна по сравнению с термометром сопротивления и при точной стабилизации температуры для неё необходим усилитель постоянного тока с большим коэффициентов усиления.
На рис. 4.7, а показана электрическая схема простого регулятора для автоматической стабилизации температуры. В обоих вариантах схемы датчиком для системы стабилизации температуры является термометр сопротивления 3, размещаемый в экспериментальной камере 6. Термометр сопротивления 3 управляет током, проходящим через гальванометр 4, против шкалы которого размещается фотопроводящий элемент сульфида кадмия, включенный параллельно нагревателю 2. Гальванометр включен так, что при возрастании температуры световым пятном его сопротивление падает до весьма малого значения, тогда большая часть тока батареи пойдет через элемент, а не через нагреватель 2 и подогрев камеры уменьшится. Передвигал элемент по шкале гальванометра в соответствующее положение, можно получить любую необходимую температуру. Сопротивление нагревателя должно быть выбрано так, чтобы оно было значительно меньше большого сопротивления неосвещенного фотопроводящего элемента, но больше той малой величины, до которой падает сопротивление освещенного элемента.
Схема, показанная на рис. 4.7, допускает более широкий выбор значений сопротивления нагревателя. Нагреватель 2 является нагрузкой катодного повторителя. Током, протекающим через нагреватель, можно управлять вручную, меняя потенциал экранной сетки. При автоматическом регулировании по достижении заданного значения температуры элемент 5 освещается, сопротивление его падает, снижается потенциал сетки катодного повторителя, что приводит к уменьшению тока через нагреватель 2.
Приводиться описание метода регулирования температуры от гелиевых до азотных, в устройствах где выделяется относительно большое количества тепла. В этом методе для компенсации теплоотвода к экспериментальной камере используется не только скрытая теплота парообразования гелия, которая довольна мала, но часть тепла дополнительно отводится за счёт нагревания газообразного испарившегося гелия. Схематично такая конструкция показана на рис. 4.8. Жидкий гелий из нижнего резервуара подается через тонкую металлическую трубку 2 в змеевик 3. Змеевик 3 навивают из тонкостенной медной трубки, припаянной снаружи к экспериментальной камере 4, температуру которой нужно стабилизировать. Расход жидкого гелия, необходимого для поддержания в камере 4 заданной температуры, регулируется игольчатыми вентилем 5, установленным на трубопроводе, идущем от камеры к вакуумному насосу. Этот метод не рекомендуется для небольших криостатов, в которых выделяется мало тепла. При таком методе относительно велик расход жидкого гелия и при небольшом резервуаре с гелием требуемая температура может поддерживаться в течение сравнительно короткого промежутка времени регулирования. Довольно трудно управлять игольчатым вентилем, поддерживая строго заданную температуру, поэтому для удобства регулирования иногда добавляет электрический нагреватель, который крепится снаружи змеевика 3. В этом случае с помощью вентиля 5 производят грубую регулировку, а меняя ток в нагревателе, добиваются точного установления заданной температуры.
При работе в диапазоне температур от 70 К до комнатной поддержание температуры производят аналогичным образом. В резервуар I вместо гелия заливается азот, а из наружного экрана 6 жидкий азот удаляется.
В тех случаях, когда температуру выше 4,2 К необходимо получать в течение ограниченного промежутка времени, можно производить регулирование температуры десорбционным методом. Устройство, работающее по такому методу, схематично показано на рис 4.9. Экспериментальная камера I помещена в криостат, заполненный гранулированным древесным углем, который охлажден жидким гелием до 4,2 К. Когда требуется получить температуры выше 4,2 К, жидкий гелий испаряют при атмосферном давлении с помощью нагревателя 2. Древесный уголь после этого остается насыщенным адсорбированным газом. В результате притока тепла температура в камере I начнёт повышаться. Повышение температуры можно ускорить с помощью нагревателя 3. По достижении заданной температуры начинают осторожно откачивать пары гелия, выделяющиеся при десорбции. Тепло десорбции, идущее на освобождение молекул, отнимается от системы, что приводит к понижению ее температуры.
Скорость откачки паров гелия можно регулировать так, чтобы охлаждения благодаря десорбции было сбалансировано с притоком тепла и температура оставалась постоянной. Отмечается, что в опыте с помощью I00 Г угля температура 20 К поддерживалась в течение 1 часа, при этом дополнительно к притоку тепла в приборе рассеивалась мощность в 20 мВт. |
Скачать 17.07 Kb.