Criostato
Un criostato —del prefix crie-, ‘fret’, i -stato, ‘estable’— és un dispositiu utilisat per a mantindre mostres, instruments o components a temperatures criogèniques baixes i estables. Per a això pot amprar distints métodos de refrigeració, entre ells banys de decorreguts criogènics, com heli líquit o nitrogen líquit, sistemes de fluix continu, refrigeradores mecànics o etapes de refrigeració més complexes.[1]
En la seua forma més simple, un criostato es construïx de manera similar a un matraz Dewar o a un recipient de buit, en parets aïllades tèrmicament per a reduir la transferència de calor des de l'exterior. Els criostatos s'ampren en numeroses àrees de la ciència, l'ingenieria, la medicina i la tecnologia, especialment en aquelles aplicacions que requerixen conservar materials o dispositius a temperatures molt inferiors a la temperatura ambiente.
Tipos
[editar | editar còdic]Existixen varis tipos de criostatos, que es diferencien principalment pel método de refrigeració utilisat. Quan el refredat es produïx per mig de cicles tèrmics en gasos bombejats, generalment heli, es parla de criostatos de cicle tancat. Quan s'ampren directament decorreguts criogènics, com heli líquit o nitrogen líquit, es denominen criostatos de cicle obert o de fluix continu.[2] També existixen criostatos de bany i criostatos multietapa, utilisats quan es requerixen temperatures especialment baixes.
Criostatos de cicle tancat
[editar | editar còdic]Els criostatos de cicle tancat consistixen en una cambra per la que circula vapor fret d'heli. Un refrigerador mecànic extern extrau el vapor d'heli calfat, ho gela novament i ho recicla dins del sistema. Este tipo de criostato consumix una cantitat relativament elevada d'energia elèctrica, pero no necessita reblir-se contínuament en heli líquit i pot funcionar durant llarcs periodos de manera contínua.
Els objectes que es desigen gelar solen fixar-se a una placa freda metàlica situada dins d'una cambra de buit. Esta placa es troba en contacte tèrmic en la cámara d'heli, lo que permet transferir la calor des de la mostra cap al sistema de refrigeració.
Criostatos de fluix continu
[editar | editar còdic]Els criostatos de fluix continu es gelen per mig de criógenos líquits, per lo general heli líquit o nitrogen líquit, procedents d'un depòsit extern. A mida que el criógeno hervir dins del criostato, es repon per mig d'un fluix constant des del reservorio. El control de temperatura de la mostra es realisa habitualment regulant el cabal del criógeno i utilisant un calefactor conectat a un controlador de temperatura PID.
El temps durant el qual es pot mantindre la refrigeració depén del volum de criógeno disponible. Pel cost i a l'escassea de l'heli líquit, alguns laboratoris ampren sistemes de recuperació que capturen l'heli evaporat per a licuarlo i reutilisar-ho posteriorment, encara que estes instalacions també resulten costoses d'operar.
Criostatos de bany
[editar | editar còdic]Els criostatos de bany són similars en construcció als matraces Dewar plens d'heli líquit. En ells, una placa freda es manté en contacte tèrmic en el bany criogènic. L'heli líquit es repon a mida que s'evapora, en intervals que poden variar des d'unes poques hores fins a varis mesos, segons el volum, l'aïllament i el disseny del criostato.
La taxa d'evaporament es reduïx protegint el bany per mig de vapor fret d'heli o per mig de pantalles de buit fabricades en materials superaislantes. El vapor d'heli que s'evapora del bany també pot amprar-se per a gelar les pantalles tèrmiques situades al voltant del recipient. En dissenys antics era freqüent trobar un bany adicional de nitrogen líquit o vàries capes concèntriques de blindage tèrmic, en temperatures progressivament més altes. L'introducció de materials superaislantes va reduir la necessitat d'alguns d'estos sistemes.
Criostatos multietapa
[editar | editar còdic]Per a alcançar temperatures inferiors a la de l'heli líquit es poden afegir etapes de refredat adicionals. És possible obtindre temperatures propenques a 1 K conectant la placa freda a una etapa d'1 K, que consistix en un recipient d'heli conectat a una bomba de buit. Temperatures de l'orde dels milikelvin poden alcançar-se per mig d'un refrigerador de dilució o per mig de sistemes de dilució secs acoplats a etapes criogèniques principals.
En alguns casos, per a alcançar temperatures encara més baixes, s'utilisen tècniques de refrigeració magnètica.[3]
Aplicacions
[editar | editar còdic]Image per resonància magnètica i imans d'investigació
[editar | editar còdic]Els criostatos utilisats en equips d'image per resonància magnètica estan dissenyats per a mantindre un criógeno, normalment heli, en estat líquit en un evaporament mínim. El bany d'heli líquit conserva la bobina del iman superconductor per baix de la seua temperatura crítica, de modo que el conductor permaneixca en estat de superconductividad.
En este estat, el cable no presenta resistència elèctrica i pot sostindre corrents molt elevades en baix malbarat d'energia. Si la bobina pert la superconductividad, es produïx una condició coneguda com extinció magnètica o quench. En eixe cas, l'heli líquit pot evaporar-se ràpidament, elevant la pressió dins del recipient. Per a evitar danys, els criostatos incorporen sistemes de consol de pressió, com a discs de ruptura situats en fumerals o conductes de ventilació, que permeten evacuar l'heli gaseós de manera segura fora de la sala de resonància magnètica.
Els criostatos moderns per a resonància magnètica solen incorporar refrigeradores mecànics o crioenfriadores, capaços de recondensar el gas d'heli i tornar-ho al bany líquit. Açò permet conservar l'heli i mantindre les condicions criogèniques durant llarcs periodos.
Per lo general, un criostato d'este tipo està format per dos recipients, un situat dins de l'atre. El recipient exterior es evacúa per a formar una cambra de buit que actua com a aïllant tèrmic. El recipient interior conté el criógeno i se sosté per mig d'estructures de baixa conductivitat tèrmica. Entre abdós recipients pot situar-se una pantalla tèrmica que intercepta la calor irradiado des de l'exterior i ho conduïx cap al sistema de refrigeració. En dissenys antics s'utilisava un recipient de nitrogen líquit com a escut de radiació, mentres que les unitats modernes tendixen a amprar sistemes en menor consum de criógenos o inclús criostatos «lliures de criógenos».
Micrótomos criostáticos
[editar | editar còdic]
En medicina i biologia, els criostatos s'utilisen per a tallar mostres de teixit congelat en seccions molt primes destinades a l'anàlisis histológico. Este procediment és habitual en la histologia de secció congelada, especialment quan es requerix un diagnòstic ràpit durant una intervenció quirúrgica.
Un criostato d'este tipo consistix essencialment en un micrótomo instalat dins d'una cambra refrigerada.[4] La temperatura pot ajustar-se segons el tipo de teixit que es va a tallar, normalment entre −20 i −30 °C. El sistema pot funcionar per mig d'electricitat o per mig d'un refrigerante com el nitrogen líquit.
Durant el procediment, la mostra es monta en un mig d'inclusió sobre un soport metàlic i es congela fins a alcançar la temperatura de cort. Una volta congelada, es fixa al micrótomo i se secciona per mig d'una cuchilla. Els corts poden tindre gruixa de pocs micrómetros; en histologia són freqüents seccions d'al voltant de 7 μm. Despuix del tall, la secció es coloca sobre un portaobjetos de vidre, a on s'adherix en calfar-se llaugerament. Posteriorment se seca, s'teñir i s'examina al microscopi. Tot el procés pot completar-se en pocs minuts, lo que resulta especialment útil per a l'evaluació intraoperatoria de màrgens tumorals.
Computació quàntica
[editar | editar còdic]Diverses tecnologies relacionades en l'informació quàntica i la computació quàntica requerixen criostatos per a gelar els dispositius que almagasenen o manipulen cúbits. Els sistemes basats en punts quàntics, per eixemple, necessiten temperatures molt baixes per a que l'energia de càrrega siga major que l'energia tèrmica del sistema i puga mantindre's el control sobre els estats electrònics.[5]
Els sistemes basats en centres nitrogen-vacant en diamant poden utilisar criostatos per a aumentar el temps de coherència dels cúbits.[6] Atres sistemes, com els basats en circuits superconductores, requerixen temperatures de l'orde dels milikelvin per a funcionar correctament.
La necessitat de mantindre temperatures extremadament baixes, aixina com el control de la decoherencia quàntica, constituïx una de les principals llimitacions tècniques en el desenroll de dispositius de processament d'informació quàntica. No obstant, no totes les plataformes quàntiques requerixen criostatos, ya que alguns sistemes basats en fotons i làserés poden operar sense refrigeració criogènica extrema.
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Frank Pobell: Matter and Methods at Low Temperatures. 3.ª edició, Springer, 2007, ISBN 978-3-540-46356-6.
- ↑ Institut Geogràfic Nacional.Consultat el 16 d'octubre de 2020.
- ↑ Consultat el 16 d'octubre de 2020.
- ↑ «Criostato». Diccionari mèdic. Clínica Universitat de Navarra. Consultat el 16 d'octubre de 2020.
- ↑ Reviews of Modern Physics.79(4)
- 1217-1265.ISSN 0034-6861.doi:10.1103/RevModPhys.79.1217.Consultat el 17 d'octubre de 2020.
- ↑ MRS Bulletin.38(2)
- 134-138.ISSN 0883-7694.doi:10.1557/mrs.2013.20.Consultat el 17 d'octubre de 2020.
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Criostato» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.