Kryostat - Cryostat

NASA je WISE infračervený nástroj se udržuje za studena pomocí kryostatu. Kryostat je vidět v horní části kosmické lodi.

Kryostat (z kryo význam chladu a stat význam stabilní) je zařízení sloužící k udržení nízké kryogenních teplot vzorků nebo zařízení namontované v kryostatu. Nízké teploty lze v kryostatu udržovat pomocí různých chladicích metod, nejčastěji pomocí kryogenní tekuté lázně, jako je kapalné helium . Proto je obvykle sestaven do nádoby, podobné konstrukci jako vakuová baňka nebo Dewar . Kryostaty mají mnoho aplikací ve vědě, technice a medicíně.

Typy

Nekovový výklopný lázeňový kryostat na kapalný dusík

Kryostaty s uzavřeným cyklem

Kryostaty s uzavřeným cyklem se skládají z komory, přes kterou jsou čerpány páry studeného hélia. Externí mechanická chladnička odebírá teplejší helium, které je ochlazováno a recyklováno. Kryostaty s uzavřeným cyklem spotřebovávají relativně velké množství elektrické energie, ale nemusí být znovu naplněny heliem a mohou běžet nepřetržitě po neomezenou dobu. Předměty mohou být chlazeny jejich připevněním na kovovou studenou desku uvnitř vakuové komory, která je v tepelném kontaktu s komorou par hélia.

Kryostaty s nepřetržitým tokem

Kryostaty s nepřetržitým průtokem jsou chlazeny kapalnými kryogeny (typicky tekutým héliem nebo dusíkem) ze skladovací Dewarovy nádoby. Jak se kryogen v kryostatu vaří, je průběžně doplňován stálým tokem z dewarové nádrže. Řízení teploty vzorku v kryostatu se obvykle provádí řízením průtoku kryogenu do kryostatu společně s topným drátem připojeným ke smyčce regulace teploty PID . Doba, po kterou může být chlazení udržováno, je dána objemem dostupných kryogenů.

Vzhledem k nedostatku kapalného hélia mají některé laboratoře zařízení k zachycování a získávání helia při jeho úniku z kryostatu, i když provoz těchto zařízení je také nákladný.

Koupelnové kryostaty

Koupelnové kryostaty mají podobnou konstrukci jako vakuové baňky naplněné tekutým héliem. Studená deska se umístí do tepelného kontaktu s lázní kapalného hélia. Tekuté helium lze doplňovat během varu v intervalech mezi několika hodinami a několika měsíci, v závislosti na objemu a konstrukci kryostatu. Rychlost varu je minimalizována stíněním lázně buď studenou hélium, nebo vakuovým štítem se stěnami vyrobenými ze superizolačního materiálu. Pára hélia, která se vaří z lázně, velmi účinně ochlazuje tepelné štíty kolem vnější části lázně. Ve starších provedeních může existovat další lázeň kapalného dusíku nebo několik soustředných vrstev stínění s postupně se zvyšujícími teplotami. Vynález superizolačních materiálů však tuto technologii zastaral.

Vícestupňové kryostaty

Aby se dosáhlo teplot nižších než kapalné helium při atmosférickém tlaku, mohou být do kryostatu přidány další chladicí stupně. Teploty až 1 K lze dosáhnout připojením chladicí desky k 1-K nádobě , což je nádoba izotopu He-4, kterou lze pomocí vakuové pumpy čerpat na nízký tlak par. Teploty těsně pod 0,300 K lze dosáhnout použitím He-3, vzácného izotopu helia, jako pracovní tekutiny v heliovém květináči. Teploty až 1 mK lze dosáhnout použitím ředicí lednice nebo suché ředicí chladničky obvykle kromě hlavního stupně a 1K nádoby. Teploty pod které lze dosáhnout pomocí magnetického chlazení .

Aplikace

Magnetické rezonanční zobrazování a výzkumné typy magnetů

Kryostaty používané ve strojích MRI jsou navrženy tak, aby držely kryogen , obvykle helium , v kapalném stavu s minimálním odpařováním (vyvařením). Lázeň s kapalným héliem je navržena tak, aby držela cívku supravodivého magnetu ze supravodivého drátu ve svém supravodivém stavu. V tomto stavu nemá vodič žádný elektrický odpor a velmi velké proudy jsou udržovány s nízkým příkonem. Aby byla zachována supravodivost, musí být cívka udržována pod teplotou přechodu ponořením do kapalného hélia. Pokud se z nějakého důvodu stane drát odporovým, tj. Ztratí supravodivost, což je stav známý jako „ zhášení “, kapalné hélium se odpaří a okamžitě zvýší tlak v nádobě. Roztržení disku , obvykle z uhlíku, se umístí do komína nebo větrací trubku tak, že při tlaku exkurze, plynné hélium může být bezpečně odvětráván z MRI sady. Moderní kryostaty MRI používají mechanickou ledničku ( kryocooler ), aby znovu kondenzovaly helium a vracely ho do lázně, udržovaly kryogenní podmínky a konzervovaly helium.

Kryostaty se obvykle vyrábějí se dvěma nádobami, jedna uvnitř druhé. Vnější nádoba je evakuována vakuem, které působí jako tepelný izolátor. Vnitřní nádoba obsahuje kryogen a je podepřena ve vnější nádobě strukturami vyrobenými z materiálů s nízkou vodivostí. Mezilehlý štít mezi vnějšími a vnitřními nádobami zachycuje teplo vyzařované z vnější nádoby. Toto teplo je odváděno kryocoolerem. Starší heliové kryostaty používaly jako radiační štít nádobu s kapalným dusíkem a kapalné helium měly ve vnitřní, třetí nádobě. V současné době se vyrábí několik jednotek využívajících více kryogenů, přičemž trendem jsou kryostaty „bez kryogenů“, ve kterých jsou všechny tepelné zátěže odstraněny kryo chladiči.

Typ biologického mikrotomu

Kryostat-mikrotom

Kryostaty se v medicíně používají k řezání histologických sklíček. Obvykle se používají v procesu nazývaném histologie zmrazené sekce (viz postup Frozen section ). Kryostat je v podstatě ultrajemný „deli-kráječ“ , nazývaný mikrotom , umístěný v mrazáku. Kryostat je obvykle stacionární vertikální mrazák s externím kolem pro otáčení mikrotomu. Teplota se může lišit v závislosti na řezané tkáni obvykle od minus 20 do minus 30 stupňů Celsia. Mraznička je poháněna buď elektřinou, nebo chladivem, jako je kapalný dusík. K dispozici jsou malé přenosné kryostaty, které mohou spouštět generátory nebo střídače vozidel. Aby se minimalizovalo zbytečné zahřívání, všechny potřebné mechanické pohyby mikrotomu lze dosáhnout ručně pomocí kola namontovaného mimo komoru. Novější mikrotomy mají elektrický posun tkáně dopředu. Přesnost řezání je v mikrometrech. Tkáně jsou rozřezány na tenké plátky o velikosti 1 mikrometr. Obvyklá histologická sklíčka jsou připevněna o tloušťce asi 7 mikrometrů. Vzorky, které jsou při pokojové teplotě měkké, se namontují na řezací médium (často z vaječného bílku) na kovové „sklíčidlo“ a zmrazí se na řezací teplotu (například při -20 stupních C). Po zmrazení se vzorek na sklíčidle namontuje na mikrotom. Klika se otáčí a vzorek postupuje směrem k řezacímu kotouči. Jakmile je vzorek nařezán na uspokojivou kvalitu, je namontován na teplé (pokojové teplotě) čiré skleněné podložní sklíčko, kde se okamžitě roztaví a přilne. Skleněné sklíčko a vzorek se suší sušičkou nebo suší na vzduchu a obarví. Celý proces od montáže po čtení sklíčka trvá 10 až 20 minut, což umožňuje rychlou diagnostiku na operačním sále pro chirurgickou excizi rakoviny. Kryostat lze použít k řezání histologie a tkáňového sklíčka (např. Pro lokalizaci enzymů) mimo medicínu, ale kvalita řezu je špatná ve srovnání se standardní histologií připevněnou voskem. Novější technologie, jako je Compresstome, což je typ vibračního mikrotomu, využívá agarosovou tkáň, která vkládá místo směsi pro optimální teplotu řezání, aby se odstranila potřeba tradičního zmrazování kryostatem, a lze ji použít pro lepší kvalitu krájení.

Viz také

Reference

  1. ^ Frank Pobell: Hmota a metody při nízkých teplotách . 3. vydání, Springer 2007, ISBN  978-3-540-46356-6
  2. ^ Abdelaal, Hadia M .; Kim, Hyeon O .; Wagstaff, Reece; Sawahata, Ryoko; Southern, Peter J .; Skinner, Pamela J. (01.01.2015). „Srovnání řezů vibratomu a komprimátoru čerstvých lymfoidních a genitálních tkání primátů pro in situ MHC-tetramer a imunofluorescenční barvení“ . Biologické postupy online . 17 (1): 2. doi : 10,1186/s12575-014-0012-4 . ISSN  1480-9222 . PMC  4318225 . PMID  25657614 .