Kryostat
En kryostat (från kryo som betyder kall och stat som betyder stabil) är en anordning som används för att upprätthålla låga kryogena temperaturer på prover eller enheter monterade i kryostaten. Låga temperaturer kan upprätthållas i en kryostat genom att använda olika kylningsmetoder, oftast med användning av kryogent vätskebad såsom flytande helium . Därför sätts den vanligtvis ihop till ett kärl, liknande konstruktion som en vakuumkolv eller Dewar . Kryostater har många tillämpningar inom vetenskap, teknik och medicin.
Typer
Kryostater med sluten cykel
Kryostater med sluten cykel består av en kammare genom vilken kall heliumånga pumpas. Ett externt mekaniskt kylskåp extraherar den varmare heliumavgasångan, som kyls och återvinns. Sluten-cykel-kryostater förbrukar en relativt stor mängd elektrisk kraft, men behöver inte fyllas på med helium och kan köras kontinuerligt under en obestämd period. Föremål kan kylas genom att fästa dem på en metallisk kylplatta inuti en vakuumkammare som är i termisk kontakt med heliumångkammaren.
Kontinuerligt flöde kryostater
Kontinuerligt flöde kryostater kyls av flytande kryogener (vanligtvis flytande helium eller kväve) från en lagringsdewar. När kryogenet kokar i kryostaten, fylls det på kontinuerligt med ett jämnt flöde från lagringsdewaren. Temperaturkontroll av provet inuti kryostaten utförs vanligtvis genom att styra flödet av kryogen in i kryostaten tillsammans med en värmetråd ansluten till en PID-temperaturkontrollslinga . Den tid under vilken kylning kan upprätthållas dikteras av volymen av tillgängliga kryogener.
På grund av bristen på flytande helium har vissa laboratorier faciliteter för att fånga och återvinna helium när det kommer ut från kryostaten, även om dessa anläggningar också är dyra att driva.
Badkryostater
Badkryostater liknar i sin konstruktion vakuumkolvar fyllda med flytande helium. En kallplatta placeras i termisk kontakt med det flytande heliumbadet. Det flytande heliumet kan fyllas på när det kokar bort, med intervaller mellan några timmar och flera månader, beroende på kryostatens volym och konstruktion. Avkokningshastigheten minimeras genom att skärma badet med antingen kall heliumånga eller vakuumskärm med väggar konstruerade av superisolatormaterial. Heliumångan som kokar bort från badet kyler mycket effektivt termiska sköldar runt badets utsida. I de äldre konstruktionerna kan det finnas ytterligare flytande kvävebad, eller flera koncentriska lager av skärmning, med gradvis ökande temperaturer. Uppfinningen av superisolatormaterial har dock gjort denna teknik föråldrad.
Flerstegs kryostater
För att uppnå lägre temperaturer än flytande helium vid atmosfärstryck kan ytterligare kylare steg läggas till kryostaten. Temperaturer ner till 1K kan nås genom att fästa kylplattan på en 1-K-gryta , som är en behållare av He-4-isotopen som kan pumpas till lågt ångtryck via en vakuumpump. Temperaturer strax under 0,300K kan uppnås med He-3, den sällsynta isotopen av helium, som arbetsvätska i en heliumkruka. Temperaturer ner till 1mK kan uppnås genom att använda utspädningskylskåp eller torrutspädningskylskåp, vanligtvis utöver huvudscenen och 1K potten. Temperaturer under det kan uppnås med magnetisk kylning .
Ansökningar
Magnetisk resonanstomografi och forskning om magnettyper
Kryostater som används i MRI- maskiner är utformade för att hålla en kryogen , vanligtvis helium , i flytande tillstånd med minimal avdunstning (avkokning). Det flytande heliumbadet är utformat för att hålla den supraledande magnetens bobin av supraledande tråd i sitt supraledande tillstånd. I detta tillstånd har tråden inget elektriskt motstånd och mycket stora strömmar upprätthålls med låg effekt. För att bibehålla supraledning måste spolen hållas under sin övergångstemperatur genom att sänkas ned i det flytande heliumet. Om tråden av någon anledning blir resistiv, dvs. förlorar supraledning, ett tillstånd som kallas " släckning ", avdunstar det flytande heliumet, vilket omedelbart ökar trycket i kärlet. En sprängskiva , vanligtvis gjord av kol, placeras i skorstenen eller ventilationsröret så att under en tryckavvikelse kan det gasformiga heliumet säkert ventileras ut ur MRI-sviten. Moderna MRI-kryostater använder ett mekaniskt kylskåp ( kryokylare ) för att återkondensera heliumgasen och återföra den till badet, för att upprätthålla kryogena förhållanden och för att bevara helium.
Vanligtvis tillverkas kryostater med två kärl, det ena inuti det andra. Det yttre kärlet evakueras med vakuumet som fungerar som en värmeisolator. Det inre kärlet innehåller kryogenet och stöds i det yttre kärlet av strukturer gjorda av material med låg ledningsförmåga. En mellanliggande skärm mellan de yttre och inre kärlen fångar upp värmen som utstrålas från det yttre kärlet. Denna värme avlägsnas med en kryokylare. Äldre heliumkryostater använde ett för flytande kväve som denna strålningssköld och hade det flytande heliumet i ett inre, tredje kärl. Nuförtiden tillverkas få enheter som använder flera kryogener och trenden går mot "kryogenfria" kryostater där all värmebelastning avlägsnas av kryokylare.
Biologisk mikrotomtyp
Kryostater används inom medicin för att skära histologiska objektglas. De används vanligtvis i en process som kallas frozen section histology (se Frozen section procedur ) . Kryostaten är i huvudsak en ultrafin "deli-slicer" , kallad mikrotom , placerad i en frys. Kryostaten är vanligtvis en stationär upprättstående frys, med ett externt hjul för att rotera mikrotomen. Temperaturen kan varieras beroende på vävnaden som skärs vanligtvis från minus 20 till minus 30 grader Celsius. Frysen drivs antingen av elektricitet eller av ett köldmedium som flytande kväve. Små bärbara kryostater finns tillgängliga och kan driva av generatorer eller fordonsväxelriktare. För att minimera onödig uppvärmning kan alla nödvändiga mekaniska rörelser av mikrotomen åstadkommas för hand via ett hjul monterat utanför kammaren. Nyare mikrotomer har elektrisk tryckknappsförflyttning av vävnaden. Precisionen i skärningen är i mikrometer. Vävnaden är sektionerad så tunn som 1 mikrometer. Vanliga histologiska objektglas är monterade med en tjocklek på cirka 7 mikrometer. Prover som är mjuka vid rumstemperatur monteras på ett skärmedium (ofta gjorda av äggvita) på en "chuck" av metall och fryses till skärtemperatur (till exempel vid -20 grader C). När det har frysts, monteras provet på chucken på mikrotomen. Veven roteras och provet förs fram mot skärbladet. När provet har skurits till en tillfredsställande kvalitet monteras det på ett varmt (rumstemperatur) klart glas, där det omedelbart kommer att smälta och vidhäfta. Objektglaset och provet torkas med en torktumlare eller lufttorkas och färgas. Hela processen från montering till läsning av objektglaset tar från 10 till 20 minuter, vilket möjliggör snabb diagnos i operationssalen, för kirurgisk excision av cancer. Kryostaten kan användas för att skära histologi och vävnadsglid (t.ex. för enzymlokalisering) utanför medicinen, men kvaliteten på sektionen är dålig jämfört med standard histologi monterad med fast sektion. Nyare teknologi som Compresstome, en typ av vibrerande mikrotom, använder inbäddning av agarosvävnad istället för en optimal skärtemperaturblandning för att eliminera behovet av traditionell kryostatfrysning och kan användas för förbättrad kvalitetssektionering.
Se även
- ^ Frank Pobell: Materia och metoder vid låga temperaturer . 3:e upplagan, Springer 2007, ISBN 978-3-540-46356-6
- ^ Abdelaal, Hadia M.; Kim, Hyeon O.; Wagstaff, Reece; Sawahata, Ryoko; Southern, Peter J.; Skinner, Pamela J. (2015-01-01). "Jämförelse av Vibratome och Compresstome sektionering av färska primater lymfoida och genitalvävnader för in situ MHC-tetramer och immunfluorescensfärgning" . Biologiska procedurer online . 17 (1): 2. doi : 10.1186/s12575-014-0012-4 . ISSN 1480-9222 . PMC 4318225 . PMID 25657614 .