НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ВСТАВКА В КРИОСТАТ С ОТКАЧКОЙ ПАРОВ ГЕЛИЯ-3 ДЛЯ РАБОТЫ В ДИАПАЗОНЕ 0,3-300 К

Полезная модель относится к криогенной технике и позволяет проводить низкотемпературные исследования полупроводников, нормальных и сверхпроводящих металлов, в том числе и высокотемпературных сверхпроводников. Задачей полезной модели является обеспечение возможности работы в широком диапазоне температур в гелиевых криостатах со сверхпроводящими соленоидами при минимальном испарении криогенных жидкостей - гелия-3 и гелия-4, а также возможности максимально быстрой замены образца.
Для получения низких температур в криогенной технике используются криостаты с откачкой паров гелия-3 (см., например, Лоунасмаа О.В. «Принципы и методы получения температур ниже 1 К». М., Мир, 1977). В них газообразный гелий-3 конденсируется на стенках т.н. одноградусной камеры, в которой температура около 1 К достигается путем откачки паров гелия-4, с последующей откачкой паров гелия-3 для получения температур порядка 0,ЗК. Одна из конкретных реализации криостата, работающего на этом принципе, описана в работе Гершензона М.Е., Журавлева Ю.Е. и Фалея М.И. (ПТЭ, №4, стр.202, 1986). Основным недостатком таких криостатов является то, что в них для смены образца необходим отогрев всего криостата с последующим его охлаждением. В современных металлических криостатах со сверхпроводящими соленоидами это неизбежно приводит к большим расходам жидкого гелия и требует обычно нескольких дней. Наиболее рациональным решением проблемы является использование низкотемпературной вставки, которая монтируется в криостате без его отогрева. Наиболее близким к предлагаемому решению является вставка с откачкой паров гелия-3, описанная в работе Савельева Б.И. и Цымбаленко В.Л. (ПТЭ, №4, стр.223, 1987). В ней забор жидкого гелия-4 в одноградусную камеру производится из основного объема криостата через дроссель, а во вставке имеется криосорбционный насос для откачки гелия-3. При этом полость, заполняемая гелием-3, имеет индиевое вакуумное уплотнение, находящееся при гелиевой температуре. Основным недостатком данной конструкции являются наличие дросселя, который в процессе работы периодически забивается примесями, присутствующими в
гелиевой ванне, а низкотемпературное вакуумное соединение, необходимое во вставке с дросселем, часто дает течь. Кроме того, следует отметить, что конструкция с дросселем и внутренним криосорбционным насосом достаточно дорога и сложна в изготовлении.
Технический результат, достигаемый настоящим решением, состоит в существенном упрощении конструкции, что приводит к повышению надежности эксплуатации устройства, к понижению стоимости его изготовления и к возможности более быстрой замены образцов.
Сущность предлагаемого решения состоит в том, что низкотемпературная вставка в криостат с откачкой паров жидкого гелия-3 для работы в диапазоне 0,3-300К, состоящая из корпуса вставки, разделенного на две части, содержащие гелий-3 и гелий-4, одноградусной камеры, охлаждаемой жидким гелием-4, и объема, заполняемого гелием-3 с откачкой криосорбционным насосом, не содержит дросселя, соединяющего одноградусную камеру с основным объемом гелия-4, а криосорбционный насос для откачки жидкого гелия-3 вынесен за корпус вставки.
На чертеже представлена конструкция низкотемпературной вставки в криостат с откачкой паров жидкого гелия-3 для работы в диапазоне 0,3-300К.
В ее состав входят: корпус 1, цилиндрическая одноградусная камера 2;
сборник 3 жидкого гелия-3; держатель образца 4, закрепленный на трубке 5, припаянной к дну камеры 1; трубка 6 для заливки жидкого гелия из транспортного дьюара; штуцер 7 для напуска газообразного гелия-3 из баллона и для его откачки криосорбционным насосом. Полости гелия-4 и гелия-3 разделены в верхней части вставки перегородкой 8, через которую проходят две трубки 9. По этим трубкам в полость гелия-3 через разъем, устанавливаемый на штуцере 10, вводятся тонкие измерительные провода 11, идущие к образцу. Откачка паров гелия-4 осуществляется через штуцер 12, соединенный с форвакуумным насосом. Верхняя часть вставки соединяется с нижней с помощью соединения 13.
Вставка работает следующим образом: В одноградусную камеру 2 заливается жидкий гелий-4, который откачивается до температуры около 1,2 К форвакуумным насосом. На внешней поверхности камеры 2 конденсируется гелий-3, который скапливается в объеме 3, где расположен исследуемый образец. После этого начинается откачка гелия-3 внешним криосорбционным насосом 14 через штуцер 7. Через 15 минут достигается температура 0,5 К, а
3
еще через 30 минут - 0,3 К. Низкотемпературная вставка позволяет при небольшом объеме заливаемого гелия-4 (~ 0,5 л) сконденсировать до 50 смжидкого гелия-3 и работать более 10 часов при температуре 0,3 К с откачкой паров гелия-3 или в диапазоне температур от 0,3 до 300 К при нагреве держателя образца. Для смены образца из вставки криосорбционным насосом выкачивается весь гелий-3. Вставка вынимается из криостата и отогревается. Затем снимается соединение 13 и освобождается допуск к образцу. Разъемные соединения во вставке выполнены на вакуумных кольцевых уплотнениях, что позволяет при смене образца быстро монтировать всю систему за время не более 1 часа.
Универсальность конструкции вставки дает возможность проводить комплексные исследования образцов в широкой области частот: от измерений удельного сопротивления на постоянном токе и динамической восприимчивости в радиочастотном диапазоне до измерений всех компонент тензора поверхностного импеданса и проводимости в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн, а при использовании световода - и для оптических измерений.