Kryostat

Als Kryostat (griech. κρυος = kalt) wird ein Kühlgerät bezeichnet, in dem sehr tiefe Temperaturen möglichst konstant eingehalten werden können.

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Kühlprinzip

Man unterscheidet Badkryostaten, Verdampferkryostaten, Verdünnungskryostaten und Refrigeratorkryostaten.

Im Badkryostaten ist das zu kühlende Objekt von einer Kryoflüssigkeit umgeben. Als Kryoflüssigkeit dienen oft flüssiger Stickstoff (Siedetemperatur: -195,8 °C / 77,4 Kelvin) und flüssiges Helium (Siedetemperatur: -268,93 °C / 4,2 Kelvin). Temperaturen unterhalb des Siedepunkts der Kryoflüssigkeit können durch Evakuieren des Kühlflüssigkeitsbades und der damit verbundenen Erniedrigung des Siedepunktes erzielt werden (siehe Dampfdruck).

Im Verdampferkryostaten erfolgt die Kühlung mit kaltem Gas, das durch Verdampfen und Anwärmen einer Kryoflüssigkeit erzeugt wird. Dadurch können im Verdampferkryostaten Temperaturen zwischen knapp über dem Siedepunkt der Kryoflüssigkeit bis zur Raumtemperatur eingestellt werden.

Verdünnungskryostaten erzeugen tiefe Temperaturen im Millikelvin-Bereich. Dabei wird der themodynamische Phasenübergang zwischen einer ³He-reichen und ³He-armen Phase genutzt.

Im Refrigeratorkryostaten erfolgt die Kühlung durch einen Kleinkühler (Cryocooler) und somit ohne Kryoflüssigkeit.

Aufbau

Um den Kryostaten mit möglichst wenig Energieaufwand kühlen zu können, ist eine sehr gute thermische Isolation notwendig. Die Wärmezufuhr durch Konvektion wird durch Einbau der kalten Bauteile in einen evakuierten Behälter verringert. Die Befestigung der kalten Bauteile am warmen äußeren Behälter erfolgt zur Verringerung der Wärmeleitung an möglichst wenigen Stellen mit Aufhängungen und Abstützungen kleiner Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmestrahlung wird durch in den evakuierten Zwischenraum eingebaute entweder aktiv gekühlte oder passive Wärmestrahlungsschilde reduziert. Als passive Wärmestrahlungsschilde dienen oft ca. 10- bis 30-fach übereinandergeschichtete metallbedampfte Kunststofffolien, die sogenannte Superisolation.

Die Form des Kryostaten ist an seine jeweilige Aufgabe angepasst. So sind z. B. Kryostaten für Messungen in Magnetfeldern an die Öffnung des Messmagneten angepasst und Kryostaten für optische Messungen sind mit Fenstern für den Messstrahl ausgerüstet.

Anwendung

Kryostaten werden zur Untersuchung oder zur Nutzung von Tieftemperatur-Phänomenen eingesetzt: z. B. zur

• Werkstoffuntersuchung
• Kühlung von Strahlungssensoren
  • Fotoempfänger für mittleres Infrarot
  • Bildsensoren für rauscharme Wärmebild-Kameras
• SQUID-Systeme für:
  • Magnetoenzephalographie
  • Magnetocardiographie
  • supraleitende Quantencomputer
• Kühlung supraleitender Spulen
  • in der Medizintechnik Magnetresonanztomografie (MRT)
  • in der Grundlagenforschung (Magnete bis 19 Tesla, NMR, Fusionsreaktor)

Siehe auch

• Kryoflüssigkeit
• Supraleittechnik
• Dewargefäß
• Kühlfalle
• Indiumdichtung

Vergleiche: Thermostat