크라이오스탯

Cryostat
나사의 WISE 적외선 기구는 저온 장치에 의해 차갑게 유지된다.저온탑은 우주선 꼭대기에서 볼 수 있다.

크라이오스탯(cryostat)은 시료 또는 크라이오스탯 내에 장착된 장치의 저온 온도를 유지하기 위해 사용되는 장치입니다.저온은 다양한 냉동 방법을 사용하여 저온 상태를 유지할 수 있으며, 가장 일반적으로 [1]액체 헬륨과 같은 극저온 유체 욕조를 사용합니다.따라서 진공 플라스크나 Dewar와 구조가 유사한 용기로 조립됩니다.크라이오스탯은 과학, 공학 및 의학 분야에서 많은 응용 분야를 가지고 있습니다.

종류들

액체 질소용 비금속, 기울일 수 있는 욕조 크라이오스탯

폐쇄 사이클 저온 상태

폐쇄 사이클 크라이오스타트는 차가운 헬륨 증기를 펌핑하는 챔버로 구성됩니다.외부 기계식 냉장고는 따뜻한 헬륨 배기 증기를 추출하여 냉각 및 재활용합니다.폐쇄 사이클 크라이오스타트는 비교적 많은 전력을 소비하지만 헬륨을 재충전할 필요는 없으며 무기한 연속적으로 작동할 수 있습니다.물체를 헬륨 증기 챔버와 열 접촉하는 진공 챔버 내부의 금속 냉판에 부착하여 냉각할 수 있습니다.

연속 흐름 저온 상태

연속 흐름 크라이오스타트는 저장 디워의 액체 저온원(일반적으로 액체 헬륨 또는 질소)에 의해 냉각됩니다.크라이오스타트 내에서 저온소가 비등함에 따라 저장 디와르로부터의 안정된 흐름에 의해 연속적으로 보충된다.크라이오스탯 내 시료의 온도제어는 통상 PID 온도제어루프에 부착된 가열와이어와 함께 크라이오스탯으로의 크라이오스탯 유량을 제어함으로써 이루어진다.냉각이 유지될 수 있는 기간은 사용 가능한 극저온물질의 양에 따라 결정됩니다.

액체 헬륨이 부족하기 때문에 일부 실험실은 저온 상태에서 헬륨이 빠져나갈 때 헬륨을 포획하고 회수할 수 있는 시설을 갖추고 있지만, 이러한 시설을 운영하는 데는 비용이 많이 듭니다.

배스 크라이오스탯

배스 크라이오스타트는 액체 헬륨으로 채워진 진공 플라스크와 구조가 유사합니다.냉판은 액체 헬륨 수조에 열 접촉합니다.액체 헬륨은 크라이오스탯의 부피와 구조에 따라 몇 시간에서 몇 달 사이에 끓어 없어질 때 보충될 수 있습니다.끓는 속도는 차가운 헬륨 증기로 수조를 차폐하거나 슈퍼 단열재 재료로 벽을 시공한 진공 차폐로 최소화합니다.욕조에서 끓어오르는 헬륨 증기는 욕조 외부 주변의 열 차폐를 매우 효과적으로 냉각시킵니다.이전 설계에서는 온도가 점차 증가하는 추가적인 액체 질소 욕조 또는 여러 동심원 차폐층이 있을 수 있습니다.그러나 슈퍼 인슐레이터 재료의 발명은 이 기술을 쓸모없게 만들었다.

다단 저온 상태

대기압에서 액체 헬륨보다 낮은 온도를 달성하기 위해 크라이오스타트에 추가 냉각 단계를 추가할 수 있습니다.진공펌프를 통해 저증기압으로 펌핑할 수 있는 He-4 동위원소 용기인 1-K pot에 cold plate를 부착하여 1K까지 온도를 낮출 수 있다.0.300K 미만의 온도는 헬륨 포트의 작동 유체로 헬륨의 희귀 동위원소인 He-3를 사용하여 달성할 수 있다.메인 스테이지와 1K 포트 외에 일반적으로 희석 냉장고 또는 건조 희석 냉장고를 사용하면 1mK 이하의 온도에 도달할 수 있습니다.자기냉장을 사용하여 그 이하의 온도에 도달할 수 있습니다.

적용들

자기공명영상 및 연구자석 종류

MRI 기계에 사용되는 크라이오스타트는 액체 상태(일반적으로 헬륨)에서 증발(부글부글 꺼짐)을 최소화하도록 설계되었습니다.액체 헬륨 욕조는 초전도 자석의 초전도 와이어 보빈을 초전도 상태로 유지하도록 설계되어 있습니다.이 상태에서는 와이어에 전기 저항이 없고 저전력 입력으로 매우 큰 전류가 유지됩니다.초전도 상태를 유지하려면 보빈을 액체 헬륨에 담가 전이 온도 이하로 유지해야 합니다.어떤 이유로든 와이어가 저항성을 띠게 되면, 즉 "퀀치"로 알려진 초전도 상태를 잃게 되면 액체 헬륨이 증발하여 용기 내의 압력이 즉시 높아집니다.통상 탄소로 이루어진 버스트디스크는 압력변동 중에 헬륨가스를 MRI 스위트 밖으로 안전하게 배출할 수 있도록 굴뚝 또는 환기 파이프 내에 배치되어 있습니다.최신 MRI 크라이오스타트는 기계식 냉장고(냉동 냉각기)를 사용하여 헬륨 가스를 다시 응축하여 욕조로 되돌리고, 극저온 상태를 유지하고 헬륨을 보존합니다.

일반적으로 크라이오스타트는 두 개의 용기로 제조되는데, 하나는 다른 한 개의 용기로 제조됩니다.외부 용기는 진공이 단열재로 작용하여 진공에서 배출됩니다.내부 용기에는 저전도성 재료로 만들어진 구조물에 의해 외부 용기 내에서 저온원이 지지됩니다.외부용기와 내부용기 사이의 중간 실드는 외부용기에서 방사되는 열을 차단한다.이 열은 저온 냉각기에 의해 제거된다.오래된 헬륨 크라이오스타트는 이 방사선 차폐물로 액체 질소 용기를 사용했고 액체 헬륨을 내부의 세 번째 용기에 담았습니다.오늘날에는 여러 개의 저온 물질을 사용하는 유닛이 거의 만들어지지 않으며, 저온 냉각기에 의해 모든 열 부하가 제거되는 '저온' 저온 상태를 지향하고 있습니다.

생물학적 마이크로톰형

저온 마이크로톰

냉동 보관소는 조직학적 슬라이드를 자르기 위해 의학에 사용된다.일반적으로 동결 단면 조직학이라고 하는 공정에서 사용됩니다(고정 단면 절차 참조).크라이오스타트는 기본적으로 마이크로톰이라고 불리는 초미세 "델리 슬라이서"로 냉동실에 보관됩니다.크라이오스탯은 보통 마이크로톰을 회전시키기 위한 외부 바퀴가 있는 고정된 직립 냉동고입니다.온도는 보통 영하 20도에서 영하 30도까지 절단되는 조직에 따라 달라질 수 있습니다.냉동고는 전기로 작동되거나 액체 질소 같은 냉매로 작동됩니다.소형 휴대용 크라이오스타트를 사용할 수 있으며 발전기나 차량 인버터에서 구동될 수 있습니다.불필요한 난방을 최소화하기 위해 챔버 외부에 장착된 휠을 통해 마이크로톰에 필요한 모든 기계적 움직임을 손으로 수행할 수 있습니다.새로운 마이크로톰은 조직의 전동 푸시 버튼을 전진시킵니다.절단 정밀도는 마이크로미터 단위입니다.조직은 1마이크로미터만큼 얇게 분할되어 있다.일반적인 조직학 슬라이드는 약 7마이크로미터 두께로 장착됩니다.상온에서 부드러운 샘플은 금속 "척"의 절단 매체(종종 달걀 흰자로 제조됨)에 장착되고 절단 온도(예: -20°C)에 냉동됩니다.동결되면 척의 시료를 마이크로톰에 장착한다.크랭크가 회전하고 검체가 커팅 블레이드 쪽으로 이동합니다.시료를 만족스러운 품질로 자른 후 따뜻한(실온) 투명 유리 슬라이드에 장착하면 즉시 녹고 접착됩니다.유리 슬라이드 및 시료는 건조기 또는 공기 건조로 건조하여 착색한다.마운트부터 슬라이드 판독까지 전체 과정은 10~20분이 소요되므로 수술실에서 암을 신속하게 진단할 수 있습니다.크라이오스탯은 약품 외부에서 조직학 및 조직 슬라이드(예: 효소 위치 파악용)를 절단하는 데 사용할 수 있지만, 섹션의 품질은 표준 고정 섹션 왁스 장착 조직학에 비해 떨어진다.진동 마이크로톰의 일종인 Comprestome과 같은 새로운 기술은 최적의 절단 온도 화합물 대신 Agarose 조직 매립을 사용하여 기존의 동결 장치를 제거하며 품질 [2]절단을 개선하는 데 사용될 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 프랭크 포벨: 저온에서의 물질과 방법.제3판, Springer 2007, ISBN978-3-540-46356-6
  2. ^ Abdelaal, Hadia M.; Kim, Hyeon O.; Wagstaff, Reece; Sawahata, Ryoko; Southern, Peter J.; Skinner, Pamela J. (2015-01-01). "Comparison of Vibratome and Compresstome sectioning of fresh primate lymphoid and genital tissues for in situ MHC-tetramer and immunofluorescence staining". Biological Procedures Online. 17 (1): 2. doi:10.1186/s12575-014-0012-4. ISSN 1480-9222. PMC 4318225. PMID 25657614.