Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів

З метою апаратного забезпечення довготривалих наукових експериментів при температурах 1,6÷350 або 77÷350 К створена економічна універсальна терморегульована кріосистема, яка працює як з рідким гелієм, так і з рідким азотом протягом більше 48 год і зі стабілізацією заданої температури з точністю ± 0,...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Наука та інновації
Datum:2010
Hauptverfasser: Жарков, І.П., Маслов, В.О., Сафронов, В.В., Ходунов, В.О.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainisch
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2010
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28136
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:Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів / І.П. Жарков, В.О. Маслов, В.В. Сафронов, В.О. Ходунов // Наука та інновації. — 2010. — Т. 6, № 5. — С. 45-49. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859913797021466624
author Жарков, І.П.
Маслов, В.О.
Сафронов, В.В.
Ходунов, В.О.
author_facet Жарков, І.П.
Маслов, В.О.
Сафронов, В.В.
Ходунов, В.О.
citation_txt Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів / І.П. Жарков, В.О. Маслов, В.В. Сафронов, В.О. Ходунов // Наука та інновації. — 2010. — Т. 6, № 5. — С. 45-49. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.
collection DSpace DC
container_title Наука та інновації
description З метою апаратного забезпечення довготривалих наукових експериментів при температурах 1,6÷350 або 77÷350 К створена економічна універсальна терморегульована кріосистема, яка працює як з рідким гелієм, так і з рідким азотом протягом більше 48 год і зі стабілізацією заданої температури з точністю ± 0,05 К без зміни її конструкції. Показано, що дана конструкція забезпечує роботу в необхідному температурному діапазоні з точністю не гірше ±0,05 К при мінімальних витратах кріоагента. С целью аппаратного обеспечения долговременных научных экспериментов при температурах 1,6÷350 или 77÷350 К создана экономичная универсальная терморегулируемая криосистема, работающая как с жидким гелием, так и с жидким азотом более 48 час и со стабилизацией заданной температуры с точностью ±0,05 К без изменения ее конструкции. Показано, что данная конструкция обеспечивает работу в необходимом температурном диапазоне с точностью не хуже ±0,05 К при минимальных затратах криоагента. With the purpose of hardware support of long-term research experiments at temperatures 1.6÷350 or 77÷350 К cost-effective universal temperature-controlled cryosystem, working both with liquid helium and with liquid nitrogen more than 48 hours and characterized by the temperature stabilization up to ±0,05 K precision without modification of its construction is created. It is shown that the cons truction provides operation in a necessary temperature range with the accuracy up to ±0,05 К at minimum consumption of cryocoolant.
first_indexed 2025-12-07T16:04:05Z
format Article
fulltext 45 Наука та інновації. 2010. Т. 6. № 5. С. 45—49. © І.П. ЖАРКОВ, В.О. МАСЛОВ, В.В. САФРОНОВ, В.О. ХОДУНОВ, 2010 І.П. Жарков, В.О. Маслов, В.В. Сафронов, В.О. Ходунов Інститут фізики НАН України, Київ ЕКОНОМІЧНА УНІВЕРСАЛЬНА ТЕРМОРЕГУЛЬОВАНА КРІОСИСТЕМА ДЛЯ ДОВГОТРИВАЛИХ ЕКСПЕРИМЕНТІВ З метою апаратного забезпечення довготривалих наукових експериментів при температурах 1,6÷350 або 77÷350 К створена економічна універсальна терморегульована кріосистема, яка працює як з рідким гелієм, так і з рідким азотом протягом більше 48 год і зі стабілізацією заданої температури з точністю ± 0,05 К без зміни її конструкції. Показано, що дана конструкція забезпечує роботу в необхідному температурному діапазоні з точністю не гірше ±0,05 К при міні- мальних витратах кріоагента. К л ю ч о в і с л о в а: кріосистема, азот, гелій, терморегуляція, стабільність температури, довготривалий експе- римент. Вироблювані у світі кріостати можна розді- лити на 2 основних типи: рідинні (в терміноло- гії західних виробників «he-bath cryostat») і проточні («flow gas cryostat») [1]. Проточні кріостати сукупно з низкою пере- ваг (малі габарити, проста і жорстка конструк- ція, експлуатація кріостата при будь-якій орі- єнтації в просторі, невелика вага і т. ін.) мають і суттєві недоліки, а саме: а) низька стабіль- ність підтримуваної температури; б) значні витрати кріоагента; в) вібрація досліджувано- го об’єкта в просторі в результаті примусового обдування його потоком газу. При використанні рідинних кріостатів ви- трати кріоагента порівняно з проточними зменшуються на 1—2 порядки і складають ве- личину порядку 0,1 л/год, а стабільність під- тримання температури знаходиться в межах 0,1 К. Крім того, будь-які механічні впливи на об’єкт відсутні. Основними недоліками рі- динних кріостатів є значний час підготовки кріостата в процесі охолодження його азотом, великі витрати гелію на охолодження і під- тримку низьких температур. Як проточні, так і рідинні кріостати можуть бути автономними або неавтономними. Вибір типу кріостата визначається специфі- кою досліджень і вимогами експерименталь- них задач. Розроблювані та виготовлювані в Інституті фізики НАН України кріостати [2— 4] за своїм типом можна віднести до комбіно- ваних або рідинно-проточних. Це — автономні пристрої, що складаються з гелієвої ємності, азотної сорочки та нагрівача, змонтованого на камері термостатування. Керування темпера- турою в межах 4,2÷350 К здійснюється зміною швидкості подачі кріоагента в камеру термо- статування і нагріванням кріоагента. Зміна температури зразка за цих умов досягається за рахунок теплообміну зі зразком газового по- току кріоагента, що проходить через камеру термостатування і обдуває зразок. Завдяки ори гінальним технологічним принципам крі- остатування кріостатні системи УТРЕКС (Уні- фі кована ТермоРЕгульована Кріостатна Сис- тема) на базі рідинно-проточних кріостатів ма ють високі характеристики. 46 Наука та інновації. № 5, 2010 Наукові основи інноваційної діяльності Існує ряд дослідницьких задач, що вимага- ють проведення експерименту при низьких температурах протягом тривалого часу. Для прикладу наведемо дослідження релаксацій- них процесів у магнітовпорядкованих речови- нах або неоднорідних системах і т.д., для про- ведення яких на ринку кріогенної продукції пропонуються кріосистеми із замкнутим ци- клом зрідження (кріорефрижератори). Але че- рез конструктивні особливості в них наявні вібрація і недостатньо низька температура охо- лодження досліджуваного зразка (від 6 К), хоча для більшості експериментів необхідна температура 4,2 К і нижче (1,4÷1,6). Пропону- валися також кріостати з можливістю автома- тичної підтримки рівня кріогенної рідини, од- нак через проблеми скипання рідкого холодо- агента в процесі надходження нових його по- рцій ззовні і зміну тиску в кріостаті вони не отримали широкого розповсюдження. В країнах СНД (як і в інших країнах) з ряду причин виникають проблеми із забезпечен- ням рідким гелієм і практично немає проблем із забезпеченням рідким азотом. Тому викли- кають інтерес економічні кріосистеми з до- статнім часовим ресурсом підтримки кріоген- них температур. Метою нашої роботи було створення еконо- мічної терморегульованої кріосистеми, здатної забезпечити науковий експеримент в умовах низьких температур протягом тривалого часу з високою точністю підтримки температури на за- даному рівні. Притому можна працювати з обо- ма видами рідкого кріоагента — і гелієм, і азотом. Поставлену задачу було вирішено шляхом роз- робки спеціальної конструкції гелієвого кріоста- та, регулятора температури і спеціалізованого тримача зразка — єдиного комплексу кріогенно- го забезпечення наукового експерименту. Спеціальна конструкція економічного кріостата Таблиця 1 Технічні дані кріостата Параметр та одиниці вимірювання Показник Діапазон регулювання температури, К 1,6÷350 Кріоагенти рідкий ге лій, рідкий азот Витрати рідкого гелію: а) при охолоджуванні кріостата, см³, не більше б) при підтримці температури 1,6 К, см³/год, не більше 500 213 Час безупинної роботи при 1,6 К без дозаливки кріоагентами, год, не менше 24 Обсяг бака рідкого азоту, см3 2700 Обсяг бака рідкого гелію, см3 5000 Діаметр завантажувального каналу крі о- с тату, мм 33 Розміри камери термостатування, мм ∅ 33 × 180 Маса кріостата, кг 12 Робочий тиск розривних мембран за хис- них клапанів, Па 5÷7 · 104 47Наука та інновації. № 5, 2010 Наукові основи інноваційної діяльності Конструкція кріостата представлена на ри- сунку. Всередині розбірного корпусу 1 розмі- щується гелієвий бак 2, оточений мідним екра- ном 3, що охолоджується рідким азотом, зали- тим в азотний бак 4. Гелієвий і азотний баки підвішені до кришки 5 на тонкостінних труб- ках із матеріалу з низькою теплопровідністю. Трубки підвісу гелієвого бака 6, 7 і 8 викорис- товуються відповідно для заливки рідкого ге- лію, розміщення покажчика рівня 9, монтажу голчастого вентиля 10 подачі рідкого гелію, який управляється ручкою 11, а також голчас- того вентиля 12 подачі газоподібного гелію, який управляється ручкою 13. У верхній час- тині трубки підвісу гелієвого бака сполучені між собою колектором 14 для відводу гелію, що випаровується у магістраль через штуцер 15. Трубки підвісу азотного бака 16 і 17 вико- ристовуються для заливання і видалення ви- пару азоту. Вакуумна порожнина кріостата відкачується форвакуумним насосом через ва- куумний кран 18. Високий вакуум створюєть- ся кріонасосом 19. У центрі корпуса кріостата розміщується шахта (завантажувальна труба) 20, що закінчується на дні камерою термоста- тування 21, на зовнішній поверхні якої накру- чено електронагрівач 22 (R = 100 Ом ± 20 %, Umax = 40 В), виводи якого підпаяні до роз’єму 23. На камері термостатування накручено те- плообмінник 24, сполучений із трубкою 25 по- дачі гелію. Випуск газоподібного гелію з каме- ри термостатування провадиться через шахту 20 і штуцер 26. Положення шахти фіксується трьома гвинтами 27. Зверху на шахті розташо- ваний шиберний затвор 28, що перекриває прохідний перетин шахти при шлюзуванні зразків. Для проведення оптичних досліджень на корпусі 1, екрані 3 і камері термостатування 21 встановлені: а) по 4 вікна 29, 30 і 31 під ку- том 90° з діаметром гелієвого вікна 20 мм; б) по 2 вікна 32, 33, і 34 з діаметрами гелієвих ві- кон 9 мм під кутом 45° між вікнами 29, 30, 31 в) донні вікна 35, 36, 37 з діаметром гелієвого вікна 16 мм. Для запобіган ня руйнації кріоста- та при підвищенні тиску у вакуумному про- Таблиця 2 Результати випробування економічної кріосистеми УТРЕКС при використанні рідкого гелію як робочого кріоагента без підведення енергії ззовні Параметр та одиниці вимірювання Показник Діапазон регулювання температу - ри, К 1,4÷1,6—350 Стабільність температури, К ≤ ± 0,05 Час повного охолодження, хв 90 Час роботи, год, при: 1,6 K 20 4,2 K 35 80 K 65 150 K 55 250 K 65 300 K 80 Таблиця 3 Результати випробування економічної кріосистеми УТРЕКС при використанні рідкого гелію як робочого кріоагента при підведенні енергії ззовні Параметр та одиниці вимірювання Підведена потужність, Вт Показник Час роботи, год, при: 1,6 0,1 14 4,2 0,1 28 80 К 0,1 60 150 К 0,1 50 250 К 0,1 55 300 К 0,1 72 1,6 0,2 10 4,2 0,2 20 80 К 0,5 30 150 К 0,5 50 250 К 0,5 60 300 К 0,2 70 80 К 0,5 50 сторі гелієвого бака і шахти встановлені захис- ні клапани 38, розривні мем б рани 35 яких та- ровані на робочий тиск 5÷7 · 104 Па. До комплекту кріостата додається спеціалі- зований тримач для підведення додаткових 48 Наука та інновації. № 5, 2010 Наукові основи інноваційної діяльності факторів фізичного впливу (електричне поле, механічні зусилля і т.д.) на досліджуваний зразок і підведення/зняття інформації, а та- кож регулятор температури. При використан- ні рідкого азоту як робочого кріоагента він за- ливається в гелієвий бак. В цей же бак у труб- ку 6 вводиться випаровувач рідкого азоту, на якому змонтовані датчик рівня кріогенної рі- дини та датчик захисту кріостата від перегрі- вання. Регулятор температури з використан- ням «ноу-хау» [5] підтримує стабільний тиск у баці з кріоагентом, регулюючи потужність, що виділяється на випаровувачі, а при пони- женні рівня азоту нижче допустимого відклю- чає силові виконавчі пристрої (випаровувач та нагрівач), а також необхідну температуру зразка. Датчик температури розташований на тримачі. Нагрівачі, випаровувач і датчик рівня рідкого азоту підключені до регулятора темпе- ратури за допомогою електричного кабелю. Завдяки застосуванню оригінального способу [6] необхідна температура досягається без пе- ререгулювання при мінімальних витратах крі- оагентів — і рідкого гелію, і рідкого азоту. Технічні характеристики кріостата і отри- мані результати випробувань кріосистеми на- ведені в табл. 1—5. Як видно з наведених та- блиць, одноразова заправка кріостата рідким гелієм в кількості 5,5 л (з урахуванням про- цесу охолодження) дає можливість провести експеримент з підводом енергії ззовні при тем- пературі 1,6 К не менше 10 год, а при кімнат- ній температурі — 3 доби поспіль. При вико- ристанні рідкого азоту в тій же кількості мож- на проводити експеримент при тем пературі 77 К з підводом енергії ззовні не менше 11 год протягом 3 діб при кімнатній температурі. ВИСНОВКИ Розроблена нами кріосистема забезпечує дов готривалий науковий експеримент в діапа- зонах температур 1,6÷350 К та 77÷350 К з ви- сокою точністю при використанні як рідкого гелію, так і рідкого азоту як робочого кріоаген- та. Таким чином, фактично виконуються фун- к ції двох кріостатів в одній конструкції. Робота виконана в рамках Програми науко- вого приладобудування НАН України, грант П2/08-40. Таблиця 4 Результати випробування економічної кріосистеми УТРЕКС при використанні рідкого азоту як робочого кріоагента без підведення енергії ззовні Параметр та одиниці вимірювання Показник Діапазон регулювання температури, К 77÷350 Стабільність температури, К ≤ ± 0,05 Час повного охолодження, хв 90 Час роботи, год, при: 77,3 K 22 80 K 26 90 К 30 150 K 42 200 K 80 250 K 62,5 300 К 100 350 К 100 Таблиця 5 Результати випробування економічної кріосистеми УТРЕКС при використанні рідкого азоту як робочого кріоагента при підведенні енергії ззовні Параметр та одиниці вимірювання Підведена потужність, Вт Показник Час роботи, год, при: 77,3 0,1 15 80 К 0,1 21 90 К 0,1 28 150 К 0,1 39 200 К 0,1 42 250 К 0,1 53 300 К 0,1 90 77,3 0,2 11 80 К 0,2 15 90 К 0,2 14 150 К 0,5 39 200 К 0,5 40 250 К 0,5 50 300 К 0,5 80 49Наука та інновації. № 5, 2010 Наукові основи інноваційної діяльності ЛІТЕРАТУРА 1. Беляева А.И., Силаев В.И., Стеценко Ю.Е. Проточные криостаты для лабораторных исследований. — К.: На ук. думка, 1987. 2. Медведев В.С., Ермаков В.М., Водолазский П.В. и др. А. с. СССР №436334, МКИ G05d 23/30, G 05d 16/06. — Бюлл. изобретений СССР (15.07.74), № 26. — С. 126. 3. Zharkov I.P., Ermakov V.M., Safronov V.V., Tchmul A.G. The cryosystems UTRECS for the spectral analysis: new methods and approaches // Вестник ХГУ, 1999. — № 434, сер.: «Биофиз.вестник», вып. 3. — С. 125. 4. Жарков И.П., Ермаков В.М., Сафронов В.В., Чмуль А.Г. Универсальная терморегулируемая криостатная система // Матер. І-ой Украинской научн. конф. по физике полупроводников УНКН-1, Одесса, Астро- принт, 2002. — Т. 2. — С. 279. 5. Жарков І.П., Єрмаков В.М.., Сафронов В.В., Чмуль А.Г. Деклараційний патент на корисну модель України № 18778 «Терморегульований кріостатний прист- рій». — Бюл. №11. 15.11.2006.,МПК G05D 23/30. — Опубл. 15.11.2006. 6. Жарков І.П., Іващенко О.М.,Сафронов Погребняк С.В. Патент України на винахід № 87503 «Спосіб та при- стрій для регулювання температури». — Бюл. № 14 від 27.07.09 р. МПК G05D 23/30, F25B9/00, G05D23/ 19. — Опубл. 27.07.2009. И.П. Жарков, В.А. Маслов В.В. Сафронов, В.А. Ходунов ЭКОНОМИЧНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ ТЕРМОРЕГУЛИРУЕМАЯ КРИОСИСТЕМА ДЛЯ ДОВГОВРЕМЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С целью аппаратного обеспечения долговременных научных экспериментов при температурах 1,6÷350 или 77÷350 К создана экономичная универсальная терморе- гулируемая криосистема, работающая как с жидким ге- лием, так и с жидким азотом более 48 час и со стабили- зацией заданной температуры с точностью ±0,05 К без изменения ее конструкции. Показано, что данная кон- струкция обеспечивает работу в необходимом темпера- турном диапазоне с точностью не хуже ±0,05 К при минимальных затратах криоагента. Ключевые слова: криосистема, азот, гелий, терморе- гулирование, стабильность температуры, долговремен- ный эксперимент. I.P. Zharkov, V.A. Maslov, V.V. Safronov, V.A. Khodunov COSTE-FFECTIVE UNIVERSAL TEMPERATURE-CONTROLLED CRYOSYSTEM FOR LONG-TERM EXPERIMENTS With the purpose of hardware support of long-term re- search experiments at temperatures 1.6÷350 or 77÷350 К cost-effective universal temperature-controlled cryosystem, working both with liquid helium and with liquid nitrogen more than 48 hours and characterized by the temperature stabilization up to ±0,05 K precision without modification of its construction is created. It is shown that the cons t- ruction provides operation in a necessary temperature ran- ge with the accuracy up to ±0,05 К at minimum con sum- ption of cryocoolant. Key words: cryosystem, nitrogen, helium, thermal cont- rol, temperature stability, long-term experiment. Надійшла до редакції 06.04.10
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28136
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1815-2066
language Ukrainian
last_indexed 2025-12-07T16:04:05Z
publishDate 2010
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Жарков, І.П.
Маслов, В.О.
Сафронов, В.В.
Ходунов, В.О.
2011-10-29T14:03:14Z
2011-10-29T14:03:14Z
2010
Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів / І.П. Жарков, В.О. Маслов, В.В. Сафронов, В.О. Ходунов // Наука та інновації. — 2010. — Т. 6, № 5. — С. 45-49. — Бібліогр.: 6 назв. — укр.
1815-2066
DOI: doi.org/10.15407/scin6.05.045
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28136
З метою апаратного забезпечення довготривалих наукових експериментів при температурах 1,6÷350 або 77÷350 К створена економічна універсальна терморегульована кріосистема, яка працює як з рідким гелієм, так і з рідким азотом протягом більше 48 год і зі стабілізацією заданої температури з точністю ± 0,05 К без зміни її конструкції. Показано, що дана конструкція забезпечує роботу в необхідному температурному діапазоні з точністю не гірше ±0,05 К при мінімальних витратах кріоагента.
С целью аппаратного обеспечения долговременных научных экспериментов при температурах 1,6÷350 или 77÷350 К создана экономичная универсальная терморегулируемая криосистема, работающая как с жидким гелием, так и с жидким азотом более 48 час и со стабилизацией заданной температуры с точностью ±0,05 К без изменения ее конструкции. Показано, что данная конструкция обеспечивает работу в необходимом температурном диапазоне с точностью не хуже ±0,05 К при минимальных затратах криоагента.
With the purpose of hardware support of long-term research experiments at temperatures 1.6÷350 or 77÷350 К cost-effective universal temperature-controlled cryosystem, working both with liquid helium and with liquid nitrogen more than 48 hours and characterized by the temperature stabilization up to ±0,05 K precision without modification of its construction is created. It is shown that the cons truction provides operation in a necessary temperature range with the accuracy up to ±0,05 К at minimum consumption of cryocoolant.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Наука та інновації
Наукові основи інноваційної діяльності
Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів
Экономичная универсальная терморегулируемая криосистема для долговременных экспериментов
Coste-ffective universal temperature-controlled cryosystem for long-term experiments
Article
published earlier
spellingShingle Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів
Жарков, І.П.
Маслов, В.О.
Сафронов, В.В.
Ходунов, В.О.
Наукові основи інноваційної діяльності
title Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів
title_alt Экономичная универсальная терморегулируемая криосистема для долговременных экспериментов
Coste-ffective universal temperature-controlled cryosystem for long-term experiments
title_full Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів
title_fullStr Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів
title_full_unstemmed Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів
title_short Економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів
title_sort економічна універсальна терморегульована кріосистема для довготривалих експериментів
topic Наукові основи інноваційної діяльності
topic_facet Наукові основи інноваційної діяльності
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28136
work_keys_str_mv AT žarkovíp ekonomíčnauníversalʹnatermoregulʹovanakríosistemadlâdovgotrivaliheksperimentív
AT maslovvo ekonomíčnauníversalʹnatermoregulʹovanakríosistemadlâdovgotrivaliheksperimentív
AT safronovvv ekonomíčnauníversalʹnatermoregulʹovanakríosistemadlâdovgotrivaliheksperimentív
AT hodunovvo ekonomíčnauníversalʹnatermoregulʹovanakríosistemadlâdovgotrivaliheksperimentív
AT žarkovíp ékonomičnaâuniversalʹnaâtermoreguliruemaâkriosistemadlâdolgovremennyhéksperimentov
AT maslovvo ékonomičnaâuniversalʹnaâtermoreguliruemaâkriosistemadlâdolgovremennyhéksperimentov
AT safronovvv ékonomičnaâuniversalʹnaâtermoreguliruemaâkriosistemadlâdolgovremennyhéksperimentov
AT hodunovvo ékonomičnaâuniversalʹnaâtermoreguliruemaâkriosistemadlâdolgovremennyhéksperimentov
AT žarkovíp costeffectiveuniversaltemperaturecontrolledcryosystemforlongtermexperiments
AT maslovvo costeffectiveuniversaltemperaturecontrolledcryosystemforlongtermexperiments
AT safronovvv costeffectiveuniversaltemperaturecontrolledcryosystemforlongtermexperiments
AT hodunovvo costeffectiveuniversaltemperaturecontrolledcryosystemforlongtermexperiments