Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы
С учетом характеристик криоохладителя SRP-062B и компрессора F-50H разработан криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений. Приняты технические и конструкторские решения для согласованной работы по теплообменным процессам пульсационной трубы в составе криостата. Выполнены расчеты тепловых...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Datum: | 2017 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2017
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168146 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы / П.Н. Постол, Д.В. Варюхин, Е.В. Дворников, Д.О. Федюк // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 2. — С. 130-136. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-168146 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Постол, П.Н. Варюхин, Д.В. Дворников, Е.В. Федюк, Д.О. 2020-04-22T18:22:49Z 2020-04-22T18:22:49Z 2017 Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы / П.Н. Постол, Д.В. Варюхин, Е.В. Дворников, Д.О. Федюк // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 2. — С. 130-136. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 82.80.Ej https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168146 С учетом характеристик криоохладителя SRP-062B и компрессора F-50H разработан криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений. Приняты технические и конструкторские решения для согласованной работы по теплообменным процессам пульсационной трубы в составе криостата. Выполнены расчеты тепловых и прочностных характеристик криостата. Выбран материал и предложена конструкция гибкого теплопровода, не передающего вибрацию от источника к потребителю. Решен вопрос безвибрационной теплопередачи от двух рабочих ступеней криоохладителя к радиационному экрану и исследуемому образцу. Рабочий диапазон температур криостата 4.2–325 Κ, время установления заданного интервала не более 150 min. With account of the characteristics of cryocooler SRP-062B and compressor F-50H, a closed-cycle cryostat targeted to Mössbauer testing has been designed. Technical and designing decisions have been made to provide concordant work on heat exchange processes of the pulse tube that is a component of the cryostat. The heat and strength characteristics of the cryostat are calculated. The material is selected and a flexible heat line is designed that do not transfer vibration from the source to the consumer. The problem of vibration-free heat transmission from two work stages of the cryocooler to the radiation screen and the tested sample is solved. The operating range of the cryostat temperature is 4.2–325 Κ, the time of stabilization of the specified interval does not exceed 150 min. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы Closed-cycle cryostat targeted to Mössbauer testing and based on a pulse tube Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы |
| spellingShingle |
Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы Постол, П.Н. Варюхин, Д.В. Дворников, Е.В. Федюк, Д.О. |
| title_short |
Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы |
| title_full |
Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы |
| title_fullStr |
Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы |
| title_full_unstemmed |
Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы |
| title_sort |
криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы |
| author |
Постол, П.Н. Варюхин, Д.В. Дворников, Е.В. Федюк, Д.О. |
| author_facet |
Постол, П.Н. Варюхин, Д.В. Дворников, Е.В. Федюк, Д.О. |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Closed-cycle cryostat targeted to Mössbauer testing and based on a pulse tube |
| description |
С учетом характеристик криоохладителя SRP-062B и компрессора F-50H разработан криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений. Приняты технические и конструкторские решения для согласованной работы по теплообменным процессам пульсационной трубы в составе криостата. Выполнены расчеты тепловых и прочностных характеристик криостата. Выбран материал и предложена конструкция гибкого теплопровода, не передающего вибрацию от источника к потребителю. Решен вопрос безвибрационной теплопередачи от двух рабочих ступеней криоохладителя к радиационному экрану и исследуемому образцу. Рабочий диапазон температур криостата 4.2–325 Κ, время установления заданного интервала не более 150 min.
With account of the characteristics of cryocooler SRP-062B and compressor F-50H, a closed-cycle cryostat targeted to Mössbauer testing has been designed. Technical and designing decisions have been made to provide concordant work on heat exchange processes of the pulse tube that is a component of the cryostat. The heat and strength characteristics of the cryostat are calculated. The material is selected and a flexible heat line is designed that do not transfer vibration from the source to the consumer. The problem of vibration-free heat transmission from two work stages of the cryocooler to the radiation screen and the tested sample is solved. The operating range of the cryostat temperature is 4.2–325 Κ, the time of stabilization of the specified interval does not exceed 150 min.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168146 |
| citation_txt |
Криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульсационной трубы / П.Н. Постол, Д.В. Варюхин, Е.В. Дворников, Д.О. Федюк // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 2. — С. 130-136. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT postolpn kriostatzamknutogocikladlâmessbauérovskihizmereniinabazepulʹsacionnoitruby AT varûhindv kriostatzamknutogocikladlâmessbauérovskihizmereniinabazepulʹsacionnoitruby AT dvornikovev kriostatzamknutogocikladlâmessbauérovskihizmereniinabazepulʹsacionnoitruby AT fedûkdo kriostatzamknutogocikladlâmessbauérovskihizmereniinabazepulʹsacionnoitruby AT postolpn closedcyclecryostattargetedtomossbauertestingandbasedonapulsetube AT varûhindv closedcyclecryostattargetedtomossbauertestingandbasedonapulsetube AT dvornikovev closedcyclecryostattargetedtomossbauertestingandbasedonapulsetube AT fedûkdo closedcyclecryostattargetedtomossbauertestingandbasedonapulsetube |
| first_indexed |
2025-11-27T07:37:30Z |
| last_indexed |
2025-11-27T07:37:30Z |
| _version_ |
1850803801312722944 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2
© П.Н. Постол, Д.В. Варюхин, Е.В. Дворников, Д.О. Федюк, 2017
PACS: 82.80.Ej
П.Н. Постол, Д.В. Варюхин, Е.В. Дворников, Д.О. Федюк
КРИОСТАТ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА ДЛЯ МЕССБАУЭРОВСКИХ
ИЗМЕРЕНИЙ НА БАЗЕ ПУЛЬСАЦИОННОЙ ТРУБЫ
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина
Статья поступила в редакцию 24 марта 2017 года
С учетом характеристик криоохладителя SRP-062B и компрессора F-50H разра-
ботан криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений. Приняты тех-
нические и конструкторские решения для согласованной работы по теплообмен-
ным процессам пульсационной трубы в составе криостата. Выполнены расчеты
тепловых и прочностных характеристик криостата. Выбран материал и пред-
ложена конструкция гибкого теплопровода, не передающего вибрацию от источ-
ника к потребителю. Решен вопрос безвибрационной теплопередачи от двух рабо-
чих ступеней криоохладителя к радиационному экрану и исследуемому образцу. Ра-
бочий диапазон температур криостата 4.2–325 Κ, время установления заданного
интервала не более 150 min.
Ключевые слова: криоохладитель, компрессор, вибрация
В настоящее время для создания сверхнизких температур применяют,
как правило, криостаты двух типов: 1) использующие хладосодержание
жидких криоагентов (азота, гелия) и 2) механические криоохладители без
применения последних.
Проведение экспериментальных исследований c помощью криостатов
первого типа выгодно при наличии вблизи ожижительных установок и газ-
гольдерной системы для сбора испарившегося жидкого гелия и других цен-
ных или опасных криоагентов. Криостаты, работающие на жидких крио-
агентах, предпочтительно применять в установках, где недопустимы вибра-
ции. Криостаты такого типа были разработаны и изготовлены нами для мес-
сбауэровских измерений и сверхпроводниковых магнитов. Описание, харак-
теристики и конструкции этих криостатов изложены в работах [1–6].
В условиях с ограниченными возможностями получения жидких крио-
агентов удобно использовать криостаты с замкнутым циклом, в которых для
охлаждения исследуемых образцов применяют механические криоохладите-
ли. В этих криостатах обычно устанавливают криоохладители, использую-
щие замкнутый цикл Гиффорда–МакМагона, так как они обладают повы-
шенным ресурсом работы [7].
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2
131
Криостатирование осуществляется следующим образом. Рабочая камера с
исследуемым образцом крепится теплопроводным контактом к рабочей сту-
пени криоохладителя с заданной температурой (4.2 K). Камера охвачена ра-
диационным экраном, механически связанным со второй ступенью крио-
охладителя (78–50 Κ). В результате происходит охлаждение рабочей камеры
с образцом до заданной температуры, после чего проводят эксперименталь-
ные исследования любой длительности в заданном режиме. Такиекриостаты
могут устанавливаться в учебных и научно-исследовательских учреждениях,
промышленных предприятиях (где необходимы криогенные температуры),
они требуют небольших эксплуатационных расходов.
Недостатком механического криоохладителя являются вибрации, возни-
кающие при охлаждении его рабочих ступеней. Вибрации через элементы
крепления передаются на исследуемый образец, что может негативно влиять
на проведение исследований. Поэтому необходимо изолировать образец от
вибраций, создаваемых механическими криоохладителями. Конструкция
криостата, в котором исследуемый образец и механический криоохладитель,
основанный на цикле Гиффорда–МакМагона, установлены на отдельных
собственных рамах, изолированных от вибраций, разработана нами и описа-
на в работе [8]. В настоящее время имеется целый ряд компаний-про-
изводителей компактных криоохладителей, основанных на использовании
цикла Гиффорда–МакМагона или принципа пульсационной трубы.
Криоохладители, работающие по принципу пульсационной трубы, не
имеют движущихся частей на холодном конце, что позволяет снизить виб-
рации до минимальных значений. Они представляют собой более простую
конструкцию и соответственно обладают большей надежностью, чем анало-
гичные криоохладители на базе цикла Гиффорда–МакМагона. По данным
[9], для последних криоохладителей (рис. 1,а) вибрации на второй рабочей
ступени (4.2 Κ) вдоль оси холодной головки составляют ~ 20 µm, а пер-
пендикулярно оси – 5 µm; для криоохладителей, работающих по принципу
пульсационной трубы (рис. 1,б), эти показатели составляют соответственно
~ 4 µm и ~ 2 µm.
Вышесказанное делает SRP-серию криоохладителей более удачным вы-
бором для проведения исследовательских работ, особенно чувствительных к
вибрациям. На основе приведенных данных и предварительных расчетов
нами определена возможная тепловая нагрузка на рабочие ступени крио-
охладителя в создаваемом криостате. Расчеты показали, что при наличии
многослойной вакуумной теплоизоляции тепловая энергия, поступающая на
первую ступень, составляет 7 W, а на вторую – до 0.1 W. В рабочем режиме
при изменениях температуры образца тепловая нагрузка на криоохладитель
может возрастать. Учитывая это, а также с целью уменьшения времени вы-
хода на рабочий режим 4.2 Κ необходимо использовать криоохладитель с
увеличенным запасом по холодопроизводительности. Для нашего варианта,
с учетом минимальных вибраций, выбран криоохладитель SRP-062B произ-
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2
132
водства Sumitomo Heavy Industries (Япония), работающий по принципу
пульсационной трубы с двумя температурными ступенями (рис. 1,б).
а б
Технические характеристики криоохладителя SRP-062B
Холодопроизводительность, W:
1-я ступень при температуре 65 Κ 30
2-я ступень при температуре 4.2 Κ 0.5
Минимальная температура, K 3.0
Время захолаживания до 4.2 Κ, min не более 100
Вес, kg 23.2
Габариты, mm 604336190
Криоохладитель работает с гелиевым газовым компрессором F-50H про-
изводства Sumitomo Heavy Industries (Япония) (рис. 2).
Технические характеристики компрессора F-50H
Потребляемая мощность, kW 6.5
Питание, V 380, 400, 415
Расход охлаждающей воды, l/min 7
Вес, kg 120
Габариты, mm 591450588
Периодичность техничного обслуживания, h 30000
Температура охлаждающей воды, C до 28
Рис. 1. Механические криоохла-
дители: а – SRDR-205D, рабо-
тающий на основе цикла Гиффор-
да–МакМагона; б – SRP-062B, ра-
ботающий по принципу пульсаци-
онной трубы
Рис. 2. Внешний
вид компрессора
F-50
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2
133
На основании выбранного криоохладителя с компрессором разработан
криостат замкнутого цикла для мессбауэровских измерений на базе пульса-
ционной трубы (рис. 3), отличительной особенностью которого является
устранение передачи вибрации криоохадителя от рабочих ступеней (4.2 и
65 Κ) к объекту охлаждения по теплопроводным контактам. Это стало
возможным благодаря использованию гибких теплопроводных контактов,
выполненных из многожильных проводов высокой теплопроводности в виде
виброгасящей петли.
Рис. 3. Криостат замкнутого цикла, работающий по принципу пульсационной тру-
бы: 1 – криоохладитель, 2 – первая ступень, 3 – гибкий теплопроводный контакт,
4 – медный радиационный экран, 5 – вторая ступень, 6 – гибкий теплопроводный
контакт, 7 – холодильник, 8 – шахта образца, 9 – рабочая камера, 10 – держатель
образца, 11 – штанга, 12 – вакуумный кожух, 13 – верхний фланец, 14 – вибропо-
глощающая опора
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2
134
В криостате криоохладитель 1 представляет собой двухступенчатую
пульсационную трубу SRP-062. Первая ступень 2 соединена гибким тепло-
проводным контактом 3 в виде петли с медным радиационным экраном 4,
который поддерживает температуру 65 Κ при тепловой нагрузке до 30 W.
Радиационный экран подвешен к верхнему фланцу вакуумного кожуха теп-
лоизоляционным контактом. Гибкость теплопроводного контакта обеспечи-
вается набором многожильных медных проводов, причем чем тоньше жилы
проводов, тем больше гибкость. В нашей конструкции диаметр одной жилы
составляет 0.38 mm, что позволяет устранить жесткую связь криоохладителя
с медным радиационным экраном. Общее сечение теплопроводного контак-
та определено для каждой ступени криоохладителя согласно отводимой теп-
ловой мощности и поддерживаемой температуре.
Вторая ступень 5 гибким теплопроводным контактом 6 в виде петли со-
единена с холодильником 7, который поддерживает температуру 4.2 Κ при
тепловой нагрузке до 0.5 W. Теплопроводный контакт второй ступени кон-
структивно выполнен аналогично контакту первой. Холодильник представ-
ляет собой медный патрубок большой теплопроводности, плотно охваты-
вающий шахту образца 8 в районе рабочей камеры 9, и позволяет поддержи-
вать в ней температуру 4.2 Κ при наличии теплообменного газа (Не
4
). Меха-
нический контакт между исследуемым образцом и холодильником отсут-
ствует, рабочая температура поддерживается только за счет теплообменного
газа. В рабочей камере установлен держатель образца 10 с нагревателем и
датчиком температуры. Держатель крепится на штанге 11, которая герме-
тично вводится в шахту образца и фиксирует его в рабочей камере. Конст-
рукция криостата позволяет менять образец, не выключая криоохладитель.
Холодильник, гибкий теплопроводный контакт и вторая ступень криоохла-
дителя охвачены медным радиационным экраном и помещены в вакуумный
кожух 12. Криоохладитель установлен на верхнем фланце 13 кожуха и за-
креплен на нем с вибропоглощающей опорой 14.
Криостат с гибкими теплопроводными контактами в виде петли, выпол-
ненными из многожильных медных проводов, позволяет устранить жесткую
связь ступеней криоохладителя с объектом охлаждения, а значит, и передачу
вибрации от источника охлаждения к исследуемому образцу.
Криостат комплектуется термоконтроллером, вакуумным насосом и теп-
лообменным газом (газообразным гелием).
Работа криостата заключается в следующем. После установки держателя
образца в рабочую камеру производят ее откачку. Затем с помощью термо-
контроллера задают требуемую температуру криоохладителя, при достиже-
нии которой в рабочую камеру подают газообразный гелий. В результате
посредством гибкого теплопроводного контакта происходит охлаждение до
заданной температуры холодильника и рабочей камеры с образцом за счет
теплообмена последней с охлажденной второй ступенью криоохладителя.
Для работы при высоких (325 Κ) температурах включают нагреватель дер-
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2
135
жателя образца, не включая криоохладитель. Регулировка и контроль темпе-
ратуры осуществляются термоконтроллером. При использовании термокон-
троллера типа 332S производства ЛейкШор (США) обеспечивается точность
криостатирования образцов ±0.5 Κ.
Технические характеристики разработанного криостата
Температурный интервал работы, Κ 4.2–325
Время выхода на температурный режим
в диапазоне 4.2–325 Κ, min не более 150
Внутренний диаметр рабочей камеры, mm 34.4
Диаметр окон, mm:
теплых 18
холодных 16
Размеры криостата, mm:
высота 1028
ширина 516
диаметр 357
Выводы
1. При проектировании криостата замкнутого цикла для мессбауэровских
измерений приняты технические и конструкторские решения для согласо-
ванной работы по теплообменным процессам пульсационной трубы в соста-
ве криостата. Выполнены тепловые и прочностные расчеты криостата. Раз-
работана конструкторская документация.
2. Решен вопрос безвибрационной теплопередачи от двух робочих ступе-
ней криоохладителя к радиационному экрану и исследуемому образцу. Для
этого выбран материал и предложена конструкция гибкого теплопровода, не
передающего вибрацию от источника к потребителю.
3. Разработанный криостат позволяет расширить область применения ме-
ханических криоохладителей.
1. Патент України на корисну модель № 89429, Кріостат для надпровідних
магнітів, Д.В. Варюхін, Є.О. Дворніков, П.М. Постол, Опубл. 25.04.2014, Бюл.
№ 8.
2. П.Н. Постол, Е.А. Дворников, Д.В. Варюхин, ФТВД 23, № 4, 128 (2013).
3. П.Н. Постол, Л.В. Бережная, А.И. Скрыпарь, В.Ф. Ховяков, С.А Терехов,
Г.Г. Левченко, ФТВД 18, № 2, 143 (2008).
4. П.Н. Постол, Л.В. Бережная, С.А. Терехов, Г.Г. Левченко, ФТВД 20, № 1, 133
(2010).
5. Патент України на корисну модель № 64099, Кріостат, Г.Г. Левченко,
П.М. Постол, Л.В. Бережна, Опубл. 25.10.2011, Бюл. № 20.
6. В.К. Литвинов, П.Н. Постол, С.И. Папаянин, О.В. Дорошева, Приборы и техни-
ка эксперимента № 3, 247 (1987).
Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 2
136
7. А.М. Кабанов, В.Н. Муринец-Маркевич, Техника низких температур. Сборник
научных трудов, Наукова думка, Киев (1979), с. 99.
8. П.Н. Постол, Л.В. Бережная, В.Ф. Русаков, Г.Г. Левченко, ФТВД 21, № 4, 160
(2011).
9. Прайс-лист: Pulse Tube Cryocoolers vs. Gifford-McMahon Cryocoolers.
httр://www.janis.com/Products/Cryocoolers/PulseTubeVsGifford McMahonCryoco-
olers.aspx
P.N. Postol, D.V. Varyukhin, E.V. Dvornikov, D.O. Fedyuk
CLOSED-CUCLE CRYOSTAT TARGETED TO MÖSSBAUER TESTING
AND BASED ON A PULSE TUBE
With account of the characteristics of cryocooler SRP-062B and compressor F-50H, a
closed-cycle cryostat targeted to Mössbauer testing has been designed. Technical and de-
signing decisions have been made to provide concordant work on heat exchange pro-
cesses of the pulse tube that is a component of the cryostat. The heat and strength charac-
teristics of the cryostat are calculated. The material is selected and a flexible heat line is
designed that do not transfer vibration from the source to the consumer. The problem of
vibration-free heat transmission from two work stages of the cryocooler to the radiation
screen and the tested sample is solved. The operating range of the cryostat temperature is
4.2–325 Κ, the time of stabilization of the specified interval does not exceed 150 min.
Keywords: cryocooler, compressor, vibration
Fig. 1. Mechanical cryocoolers: а – SRDR-205D, based on the Gifford–McMagon cycle;
б – SRP-062B, working on the principle of the pulse tube
Fig. 2. The exterior of compressor F-50
Fig. 3. Closed-cycle cryostat of on the basis of the pulse tube: 1 – cryocooler, 2 – first
stage, 3 – flexible heat-conducting contact, 4 – copper radiation screen, 5 – second stage,
6 – flexible heat-conducting contact, 7 – refrigerator, 8 – shaft pattern, 9 – working
chamber, 10 – sample holder, 11 – rod, 12 – casing vacuum, 13 – upper flange, 14 – vi-
bration-absorbing support
http://www.janis.com/Products/Cryocoolers/PulseTubeVsGifford McMahonCryo-co-olers.aspx
http://www.janis.com/Products/Cryocoolers/PulseTubeVsGifford McMahonCryo-co-olers.aspx
П.Н. Постол, Д.В. Варюхин, Е.В. Дворников, Д.О. Федюк
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина
Технические характеристики криоохладителя SRP-062B
Технические характеристики компрессора F-50H
Технические характеристики разработанного криостата
P.N. Postol, D.V. Varyukhin, E.V. Dvornikov, D.O. Fedyuk
|