Безвакуумний кріостат

1. Безвакуумный криостат, содержащий теплоизолированные корпус с крышкой, внутренний рабочий стакан для криожидкости и размещенный в нем держатель образ Изобретение относится к экспериментальной технике физики твердого тела и технике контроля электрофизических параметров в микроэлектронике. В качестве прототипа выбран криостат для оптических исследований, состоящий из теплоизоляционного кожуха с окнами и размещенными в его стенках каналами для криожидкости, соединенными с сосудом и теплопроводящей трубкой, нижний конец которой прикреплен к контейнеру, а верхний сообщен с верхней частью сосуда [1]. Криостат позволяет стабилизировать температуру объекта, помещаемого в медный контейнер для образцов в диапазоне от 80 до 350 К. Повышение точности регулирования температуры в криостате не может быть получено достаточно высоким, так как нагреватель с датчиком температуры и нагреваемый объект располагаются на значительном расстоянии друг от друга. ца, нагреватель и теплопровод для связи с криожидкостью, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что рабочий стакан выполнен из теплоизолирующего материала и снабжен поперечной электроизоляционной прокладкой и датчиком температуры, при этом прокладка расположена на или над уровнем зеркала жидкости, на ней размещен держатель образца, в который введены нагреватель, датчик температуры и теплопровод, выполненный в виде нескольких стержней. , 2. Безвакуумный криостат по п. 1, о т л и- ~ ч а ю щ и й с я тем, что стержни выполнены с переменным сечением. Этот криостат рассчитан на термостатирование исследуемого объекта и не может обеспечить быстрый нагрев или охлаждение его по указанному закону, так как объект монтируется в массивный медный держатель и охлаждается или нагревается как за счет потока газообразного азота, так и за счет теплообмена с медным держателем, который не может быстро изменить свою температуру. Криостат обладает сложной конструкцией; монтирование образца требует извлечения из контейнера держателя образца через заглушки, которые должны быть посажены в отверстия достаточно плотно, чтобы через них не 'просачивался жидкий азот. Контейнер также должен быть прикреплен к сосуду для криожидкости с высокой степенью плотности, так как азот и его пары легко просачиваются через щели в пенопласте и разрывают его, что приводит к его O О 6971 порче и низкой надежности. Кроме того, стакан из теплоизолирующего материала; 4 сложность конструкции уменьшает экспресэлектроизолирующая прокладка; 5 - электсность измерений, так как требуется значирические контакты; 6 - держатель образца; тельное время для прогрева образца и его 7 - нагреватели; 8 -датчик температуры; 9 смены. 5 теплопровод; 10 - образец; 11 - зондодерИзобретение решает задачу повышения жатели; 12 - турель; 13 - крышка; 14 - тепбыстродействия температурных изменений лоизолирующий материал, заполняющий образца с повышенной точностью регулирокрышку; 15 - трубка для заливки криожидкования его температуры в расширенном темсти в сосуд. пературном диапазоне при упрощении и 10 На фиг.2 представлен внешний вид тепповышении надежности конструкции крилопровода 9. остата. Криостат состоит из внешнего несущего Поставленная задача решается тем, что корпуса (1), заполненного теплоизолируюв криостате, содержащем теплоизолированщим материалом (2) и помещенного во внутные корпус с крышкой, внутренний рабочий 15 реннюю полость теплоизолятора рабочего стакан для криожидкости с держателем обстакана (3), изготовленного из теплоизолиразца, нагреватель и теплопровод для связи рующего материала. Рабочий стакан раздес криожидкостью, согласно изобретению, лен на две части электроизолирующей выполнен из теплоизолирующего металла и прокладкой (4), на которую помещен держаснабжен поперечной электроизоляционной 20 тель образца (6) с вмонтированным в его прокладкой, которая расположена на или тело нагревателем (7) и датчиком температунад уровнем зеркала криожидкости, на ней ры (8). Нижняя часть рабочего стакана слуразмещен держатель образца, в который жит для заливки криожидкости, которая введены нагреватель, датчик температуры и посредством тепловой связи через теплотеплопровод, выполненный в виде несколь- 25 провод (9), выполненный в виде стержней ких стержней. Стержни теплопроводов изгопеременного сечения, охлаждает держатель товлены с поперечным сечением. образца. На держателе образца, выполненного из хорошего теплопроводящего матеРазмещение образца на немассивном риала монтируется изучаемый образец (10), на держателе, который имеет хороший тепловой контакт с нагревательным элементом и 30 котором можно проводить электрофизические измерения посредством прикладывания к плавно меняющуюся тепловую связь с хланему напряжения и снятия измерительного дагентом, которая определяется переменсигнала через зонды, закрепленные на зондоным сечением теплопроводов, позволяет держателе (11), размещенном на туреле (12). повысить быстродействие температурных измерений. Расположение датчика темпера- 35 Криостат закрывается крышкой (13), заполненной теплоизолирующим материалом (14). туры непосредственно вблизи нагревателя и Криожидкость в нижнюю часть рабочего стаобразца обеспечивает повышение точности кана заливается через трубку (15). Все элекрегулирования температуры в процессе натрические разъемы смонтированы на грева или охлаждения и термостатировании. Возможность контролируемого 40 внешнем несущем корпусе (1), что позволяет легко и быстро сменять исследуемые образизменения температуры образца в широком цы. диапазоне (77-673 К) определяется материалом электроизоляционной прокладки и тиКриостат работает следующим образом. пом датчика температуры. При этом Для быстрого охлаждения образца (10) до динамические характеристики криостата 45 температуры жидкого азота (77К) в нижнюю при охлаждении и нагреве не изменяются. часть рабочего стакана (3) через трубку (15), Данная конструкция позволяет быстро смезакрепленную на теплоизолирующей крышнять образцы при проведении измерений, так ке (13), заливается жидкий азот до тех пор, как имеется простой доступ к образцу (снятие пока его уровень не достигнет держателя теплоизолирующей крышки). Из-за малого ко- 50 образца (6). Кипение азота, происходящее личества деталей конструкция проста и напри этом, обеспечивает вытеснение воздуха дежна. Кроме того, предлагаемая из внутреннего объема криостата. Для наконструкция позволяет работать на пластинах грева образца через нагреватель (7) пролюбых используемых в микроэлектронике пускается электрический ток. Так как размеров (до 100-150 мм) без ее принципи- 55 нагреватель вмонтирован в тело держателя ального изменения при сохранении динамиобразца (6), то происходит максимальная ческих тепловых характеристик криостата. теплоотдача от нагревателя держателю и На фиг.1 изображена конструкция криразмещенному на нем образцу. Выделение остата, где: 1 - внешний несущий корпус; 2 тепла приводит к кипению азота и понижетеплоизолирующий материал; 3 - рабочий нию его уровня в нижней части стакана (3), 6971 что приводит к увеличению теплового сопроинститутов и высших учебных заведений, ративления теплопроводов (9) и понижению ботающих в области микроэлектроники, фиохлаждающего потока к держателю образца зики полупроводников и диэлектриков, (б). Для увеличения положительной обратфизики твердого тела, ядерной физики. ной связи между тепловым сопротивлением 5 Безвакуумный криостат может найти теплопроводов (9) и уровнем азота в сосуде применение в различных зарубежных фиртеплопроводы изготовлены с уменьшаюмах-производителях исследовательского щимся сечением при удалении от держателя оборудования. Продукция фирм Lake-Shore образца, что обеспечивает высокую скороCryotronlcs, Inc. (США). НААКЕ (ФРГ). Oxford сть нагрева держателя без скачков темпера- 10 Instrument Lto\ (Великобритания) пользоватуры. Близость нагревателя (7), датчика лись бы большим спросом при использоватемпературы (8) и образца (6) обеспечивает нии данного криостата. высокую степень регулирования температуИзобретение иллюстрируется следуюры, а разделение рабочего стакана на две щим примером. части приводит к отсутствию прямого потока 15 Рассмотрим криостат, изготовленный испаряющегося азота на образец, что не содля работы с пластиной диаметром 100 мм. здает дополнительные флуктуации темпераКорпус криостата изготовлен из дюралюмитуры образца. При прекращении протекания ния, который заполнен теплоизолятором из тока через нагреватель (7), держатель образпенопласта. Внутрь пенопласта помещен ца (6) быстро охлаждается за счет остатка 20 тонкостенный стакан. Стакан выполнен преазота в нижней части стакана; дополнительимущественно из нержавеющей стали; он ная заливка азота и повышение его уровня может быть также выполнен из нейзильбера уменьшает тепловое сопротивление теплоили мельхиора, а также различных многопроводов и увеличивает скорость охлаждеслойных материалов. К стакану прикреплена ния. 25 электроизолирующая прокладка из фторопласта. Таким образом, вмонтирование в тело держателя образца нагревателя и датчика Исследуемый образец помещается на температуры в непосредственно близости держатель, изготовленный из меди, в тело от образца, наличие теплопроводов и раздекоторого вмонтирован нагреватель из ниление рабочего стакана на две части позво- 30 хромовой проволоки и измерительный преляют эффективно использовать выделяемое образователь температуры, в качестве при нагреве нагревателя тепло, что обеспекоторого использовался кремниевый диод чивает малую инерционность и позволяет типа КДС 523, отградуированный на образиметь высокую точность регулирования темпецовом средстве измерения (свидетельство ратуры в необходимом динамическом режиме 35 №691 ВНИИФТРИ Госстандарта СССР). при отсутствии значительных флуктуации тепКрышка криостата с пенопластовым теплоловых потоков как непосредственно в держаизолятором крепится к корпусу винтами для теле образца, так и во внешней среде. Стакан обеспечения электрического контакта. В из теплоизолирующего металла обеспечивает крышку криостата вмонтирован азотопродополнительную теплоизоляцию от внешней 40 вод, в который вставляется воронка для засреды и служит основой для крепления изоливки жидкого азота. лирующей пластины. Данная конструкция позволяет измерять температуру объекта в диапазоне от 77 Безвакуумный криостат может найти до 450°С с точностью измерения темпераприменение в: - электронной промышленности в со- 45 туры 0,05К; скорость изменения температуры может изменяться в диапазоне от ставе систем диагностики интегральных 0,01 до 5К/с с относительной погрешностью схем, различных радиоэлектронных устподдержания скорости не более 2 %. что принройств, а также систем для контроля и иссципиально невозможно достичь у криостаталедования параметров многослойных гетеросистем и тестовых приборов, изготов- 50 прототипа, так как он обладает массивным держателем образца и разнесенным в ленных по планарной технологии; пространстве расположением преобразо- термометрии, метрологии температурвателем температуры и объекта регулироных испытаний первичных преобразоватевания температуры. Криостат позволяет лей различных физических величин, имеющих применение в различных областях 55 проводить измерения на образцах размерами от 1x1 мм до 100x100 мм. Смена об(биология, медицина, астрономия); разца занимает от 2 до 3 минут. Габариты - научно-исследовательских лаборатокриостата составляет 200x200x230 мм. риях отраслевых научно-исследовательских 6971 гг n Фиг* Фиг. 2 Упорядник Замовлення 4508 Техред М.Моргентал Коректор С.Патрушева Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл.. 8 Виробничо-видавничий комбінат "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101