ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Криостаты из "Криохимия" Исследования при низких температурах проводят обычно в специальных устройствах, называемых криостатами. Их конструкция зависит, в первую очередь, от выбранного метода исследования системы, используемого хладоагента и рабочей температуры. Число криостатов, выпускаемых серийно, ограничено, и в большинстве случаев экспериментаторы сами создают необходимые для исследований устройства. [c.30] По своему назначению криостаты можно разделить на две группы. К первой, очень многочисленной группе, следует отнести криостаты для измерений различных физических и физико-химических свойств, спектральных и радиоспектральных. При этом образцы представляют собой обычно твердые индивидуальные соединения и их помещают в предварительно разобранный криостат при комнатной температуре. Охлаждение образцов проводится после сборки криостата и требует в ряде случаев продолжительного времени. [c.30] Вторую группу составляют криостаты, позволяющие изучать химические реакции. Следует заметить, что осуществление и изучение химической реакции между несколькими компонентами непосредственно в условиях низких температур представляет исключительно сложную задачу, а для создания криостатов, приспособленных для этих целей, приходится преодолевать значительные технические трудности. [c.30] По источнику низких температур криостаты условно можно разделить на несколько групп криостаты, где хладоагентом служит сжиженный газ криостаты с холодными парами газа в качестве хладоагента термоэлектрические холодильники криостаты на основе различных холодильных машин. Такое разделение удобно при рассмотрении особенностей конструкций криостатов. [c.31] В качестве хладоагента, особенно в пищевой промышленности, широко применяется твердая двуокись углерода. При обычном давлении она сублимируется при 194,6 К, теплота парообразования составляет 573,6 Дж/г. Свойства хладоагентов, используемых в промышленных установках, подробно рассмотрены в работе. [100]. [c.31] На рис. 2.1 схематически изображен кварцевый сосуд Дьюара, широко используемый для получения спектров ЭПР при температуре кипения жидкого азота, кварцевая кювета для оптических измерений и кювета, позволяющая получать спектры поглощения и спектры ЭПР одного и того же образца при 77 К [103 -105]. В таком криостате удается получить температуры ниже 77 К при интенсивном откачивании паров азота. В гелиевых криостатах этот прием позволяет понизить температуру до 1,2 К- Однако, как правило, откачивание применяют не для получения более низкой температуры, а для улучшения условий измерения спектров ЭПР, поскольку при этом снижается образование пузырьков газообраз.-ного азота при его кипении. [c.32] В работе [106] описан более сложный металлический криостат для оптических измерений, в котором образцы помещают в жидкий азот или жидкий гелий, а регистрация спектров поглощения и флуоресценции осуществляется с помощью стеклянных световодов. Конструкция криостата еще более усложняется, когда охлаждаемый образец по тем или иным соображениям не должен погружаться в хладоагент. Примером является криостат, показанный на рис. 2.2, который применяется для спектрофотометрических исследований образцов в ампулах, используемых для измерений спектров ЭПР [107]. [c.32] Криостаты с вакуумированным рабочим пространством сложны в обращении и не позволяют работать с жидкими образцами. Их широко используют для физических исследований полупроводниковых материалов и в физике твердого тела. В этих случаях изучают низкотемпературные свойства твердых образцов, приготовляемых в обычных условиях. Простой и надежный криостат для измерения спектров поглощения в видимой и УФ-областях с ваку-умированием пространства, в котором находится образец, описан в работе [ПО]. Несмотря на простоту конструкции, недостатки криостата очевидны. Для смены образца необходимо производить разборку и сборку криостата, а затем вновь его вакуумировать. Измерения можно проводить только с твердыми или предварительно замороженными образцами и только при температуре жидкого азота. Криостат непригоден при изучении кинетики процессов в системах с контактом между двумя компонентами. [c.33] В работе [111] описана конструкция относительно простого стеклянного криостата с металлическим держателем образца и вакуумируемым рабочим пространством. Наличие нагревателя и трех кварцевых окон позволяет проводить спектрофотометрические измерения и фотохимические исследования в диапазоне 77—450 К. [c.34] Для спектральных исследований в видимой и УФ-областях широкое применение находят криостаты без вакуумирования рабочего пространства. Их конструкция схематически изображена на рис. 2.3. Кювета в криостатах такой конструкции закрепляется на металлическом держателе из латуни, меди, алюминия или другого металла. Нижняя удлиненная часть держателя все время находится в жидком хладоагенте, налитом в стеклянный или кварцевый сосуд Дьюара. Этот криостат можно использовать с любым серийным спектрофотометром. На пути оптического луча находятся только пары хладоагента, поэтому пузырьки, возникающие при его кипении, не мешают измерениям. Следует отметить, что образец находится в таком криостате только при одной температуре, близкой к температуре жидкого хладоагента. Описание криостатов этого типа можно найти, например, в работах [112—114], где их использовали для получения спектров поглощения биологических объектов в видимой области спектра. [c.34] При конструировании криостатов большие трудности возникают из-за того, что материал кюветы должен удовлетворять двум требованиям обладать, с одной стороны, хорошей теплопроводностью, а с другой, быть химически инертным и не взаимодействовать с образцом. Проблема создания хорошего теплового контакта с образцом является общей для криостатов всех конструкций. [c.34] Криостаты со сжиженными газами, как уже отмечалось, позволяют термо-статировать образец только при одной температуре, что обычно удовлетворительно при спектральных исследованиях. При этом разрешение в спектрах зависит от температуры образца. Оно тем больше, чем ниже температура. [c.35] В последние годы все более широкое применение находят термоэлектрические охлаждающие устройства i[127, 128]. Камера с термоэлектрическим охлаждением для лабораторных целей и термоэлектрические холодильники, пригодные для использования в спектроскопических кюветах, описаны в работах [129—131]. Кри-остаты с термоэлектрическим охлаждением просты в работе и не требуют хладоагентов типа жидкого азота и гелия. Преимущества таких криостатов особенно очевидны в длительных по времени экспериментах и при охлаждении электронных устройств. Существенным недостатком является то, что доступные в настоящее время термоохлаждающие устройства обеспечивают не слишком низкие температуры. Нижний предел обычных двухкаскадных термоэлектрических батарей составляет 223 К- Чем ниже температуры, которые необходимо получить, тем больше при прочих равных условиях габариты термоэлектрического холодильника. [c.37] В работе [132] описан четырехкаскадный микрохолодильник, обеспечивающий перепад температур в 148 градусов и работающий в интервале 130—350 К. В результате дальнейшего совершенствования термоэлектрических батарей, несомненно, будут уменьшены их габариты (при сохранении той же мощности) и значительно снижена их себестоимость. Несомненно, уже в самое ближайшее время термоэлектрические охлаждающие устройства найдут широкое применение в исследовании химических процессов при температурах до —173 К. [c.37] Достоинства криостатов на базе холодильных машин очевидны. Такие криостаты незаменимы при многосуточных экспериментах и позволяют получать любые температуры, вплоть до температуры кипения жидкого гелия. К недостаткам следует отнести создаваемую холодильной машиной вибрацию, а также жесткие требования в конструктивном построении рабочей части криостата, обусловленные конструкцией самой машины и необходимостью максимально близкого расположения образца к охлаждаемой головке. [c.38] Вернуться к основной статье