Criostato
Un criostato —del prefijo crio-, ‘frío’, y -stato, ‘estable’— es un dispositivo utilizado para mantener muestras, instrumentos o componentes a temperaturas criogénicas bajas y estables. Para ello puede emplear distintos métodos de refrigeración, entre ellos baños de fluidos criogénicos, como helio líquido o nitrógeno líquido, sistemas de flujo continuo, refrigeradores mecánicos o etapas de refrigeración más complejas.[1]
En su forma más simple, un criostato se construye de manera similar a un matraz Dewar o a un recipiente de vacío, con paredes aisladas térmicamente para reducir la transferencia de calor desde el exterior. Los criostatos se emplean en numerosas áreas de la ciencia, la ingeniería, la medicina y la tecnología, especialmente en aquellas aplicaciones que requieren conservar materiales o dispositivos a temperaturas muy inferiores a la temperatura ambiente.
Tipos
[editar]Existen varios tipos de criostatos, que se diferencian principalmente por el método de refrigeración utilizado. Cuando el enfriamiento se produce mediante ciclos térmicos con gases bombeados, generalmente helio, se habla de criostatos de ciclo cerrado. Cuando se emplean directamente fluidos criogénicos, como helio líquido o nitrógeno líquido, se denominan criostatos de ciclo abierto o de flujo continuo.[2] También existen criostatos de baño y criostatos multietapa, utilizados cuando se requieren temperaturas especialmente bajas.
Criostatos de ciclo cerrado
[editar]Los criostatos de ciclo cerrado consisten en una cámara por la que circula vapor frío de helio. Un refrigerador mecánico externo extrae el vapor de helio calentado, lo enfría nuevamente y lo recicla dentro del sistema. Este tipo de criostato consume una cantidad relativamente elevada de energía eléctrica, pero no necesita rellenarse continuamente con helio líquido y puede funcionar durante largos periodos de manera continua.
Los objetos que se desean enfriar suelen fijarse a una placa fría metálica situada dentro de una cámara de vacío. Esta placa se encuentra en contacto térmico con la cámara de vapor de helio, lo que permite transferir el calor desde la muestra hacia el sistema de refrigeración.
Criostatos de flujo continuo
[editar]Los criostatos de flujo continuo se enfrían mediante criógenos líquidos, por lo general helio líquido o nitrógeno líquido, procedentes de un depósito externo. A medida que el criógeno hierve dentro del criostato, se repone mediante un flujo constante desde el reservorio. El control de temperatura de la muestra se realiza habitualmente regulando el caudal del criógeno y utilizando un calefactor conectado a un controlador de temperatura PID.
El tiempo durante el cual se puede mantener la refrigeración depende del volumen de criógeno disponible. Debido al coste y a la escasez del helio líquido, algunos laboratorios emplean sistemas de recuperación que capturan el helio evaporado para licuarlo y reutilizarlo posteriormente, aunque estas instalaciones también resultan costosas de operar.
Criostatos de baño
[editar]Los criostatos de baño son similares en construcción a los matraces Dewar llenos de helio líquido. En ellos, una placa fría se mantiene en contacto térmico con el baño criogénico. El helio líquido se repone a medida que se evapora, en intervalos que pueden variar desde unas pocas horas hasta varios meses, según el volumen, el aislamiento y el diseño del criostato.
La tasa de evaporación se reduce protegiendo el baño mediante vapor frío de helio o mediante pantallas de vacío fabricadas con materiales superaislantes. El vapor de helio que se evapora del baño también puede emplearse para enfriar las pantallas térmicas situadas alrededor del recipiente. En diseños antiguos era frecuente encontrar un baño adicional de nitrógeno líquido o varias capas concéntricas de blindaje térmico, con temperaturas progresivamente más altas. La introducción de materiales superaislantes redujo la necesidad de algunos de estos sistemas.
Criostatos multietapa
[editar]Para alcanzar temperaturas inferiores a la del helio líquido se pueden añadir etapas de enfriamiento adicionales. Es posible obtener temperaturas cercanas a 1 K conectando la placa fría a una etapa de 1 K, que consiste en un recipiente de helio conectado a una bomba de vacío. Temperaturas del orden de los milikelvin pueden alcanzarse mediante un refrigerador de dilución o mediante sistemas de dilución secos acoplados a etapas criogénicas principales.
En algunos casos, para alcanzar temperaturas aún más bajas, se utilizan técnicas de refrigeración magnética.[3]
Aplicaciones
[editar]Imagen por resonancia magnética e imanes de investigación
[editar]Los criostatos utilizados en equipos de imagen por resonancia magnética están diseñados para mantener un criógeno, normalmente helio, en estado líquido con una evaporación mínima. El baño de helio líquido conserva la bobina del imán superconductor por debajo de su temperatura crítica, de modo que el conductor permanezca en estado de superconductividad.
En este estado, el cable no presenta resistencia eléctrica y puede sostener corrientes muy elevadas con baja disipación de energía. Si la bobina pierde la superconductividad, se produce una condición conocida como extinción magnética o quench. En ese caso, el helio líquido puede evaporarse rápidamente, elevando la presión dentro del recipiente. Para evitar daños, los criostatos incorporan sistemas de alivio de presión, como discos de ruptura situados en chimeneas o conductos de ventilación, que permiten evacuar el helio gaseoso de manera segura fuera de la sala de resonancia magnética.
Los criostatos modernos para resonancia magnética suelen incorporar refrigeradores mecánicos o crioenfriadores, capaces de recondensar el gas de helio y devolverlo al baño líquido. Esto permite conservar el helio y mantener las condiciones criogénicas durante largos periodos.
Por lo general, un criostato de este tipo está formado por dos recipientes, uno situado dentro del otro. El recipiente exterior se evacúa para formar una cámara de vacío que actúa como aislante térmico. El recipiente interior contiene el criógeno y se sostiene mediante estructuras de baja conductividad térmica. Entre ambos recipientes puede situarse una pantalla térmica que intercepta el calor irradiado desde el exterior y lo conduce hacia el sistema de refrigeración. En diseños antiguos se utilizaba un recipiente de nitrógeno líquido como escudo de radiación, mientras que las unidades modernas tienden a emplear sistemas con menor consumo de criógenos o incluso criostatos «libres de criógenos».
Micrótomos criostáticos
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En medicina y biología, los criostatos se utilizan para cortar muestras de tejido congelado en secciones muy delgadas destinadas al análisis histológico. Este procedimiento es habitual en la histología de sección congelada, especialmente cuando se requiere un diagnóstico rápido durante una intervención quirúrgica.
Un criostato de este tipo consiste esencialmente en un micrótomo instalado dentro de una cámara refrigerada.[4] La temperatura puede ajustarse según el tipo de tejido que se va a cortar, normalmente entre −20 y −30 °C. El sistema puede funcionar mediante electricidad o mediante un refrigerante como el nitrógeno líquido.
Durante el procedimiento, la muestra se monta en un medio de inclusión sobre un soporte metálico y se congela hasta alcanzar la temperatura de corte. Una vez congelada, se fija al micrótomo y se secciona mediante una cuchilla. Los cortes pueden tener espesores de pocos micrómetros; en histología son frecuentes secciones de alrededor de 7 μm. Tras el corte, la sección se coloca sobre un portaobjetos de vidrio, donde se adhiere al calentarse ligeramente. Posteriormente se seca, se tiñe y se examina al microscopio. Todo el proceso puede completarse en pocos minutos, lo que resulta especialmente útil para la evaluación intraoperatoria de márgenes tumorales.
Computación cuántica
[editar]Diversas tecnologías relacionadas con la información cuántica y la computación cuántica requieren criostatos para enfriar los dispositivos que almacenan o manipulan cúbits. Los sistemas basados en puntos cuánticos, por ejemplo, necesitan temperaturas muy bajas para que la energía de carga sea mayor que la energía térmica del sistema y pueda mantenerse el control sobre los estados electrónicos.[5]
Los sistemas basados en centros nitrógeno-vacante en diamante pueden utilizar criostatos para aumentar el tiempo de coherencia de los cúbits.[6] Otros sistemas, como los basados en circuitos superconductores, requieren temperaturas del orden de los milikelvin para funcionar correctamente.
La necesidad de mantener temperaturas extremadamente bajas, así como el control de la decoherencia cuántica, constituye una de las principales limitaciones técnicas en el desarrollo de dispositivos de procesamiento de información cuántica. No obstante, no todas las plataformas cuánticas requieren criostatos, ya que algunos sistemas basados en fotones y láseres pueden operar sin refrigeración criogénica extrema.
Véase también
[editar]Referencias
[editar]- ↑ Frank Pobell: Matter and Methods at Low Temperatures. 3.ª edición, Springer, 2007, ISBN 978-3-540-46356-6.
- ↑ «Desarrollos tecnológicos en criogenia». Instituto Geográfico Nacional. Consultado el 16 de octubre de 2020.
- ↑ Minervini, Joseph V. Cryostat Optimization Through Multiple Stage Thermal Shields (en inglés). Consultado el 16 de octubre de 2020.
- ↑ «Criostato». Diccionario médico. Clínica Universidad de Navarra. Consultado el 16 de octubre de 2020.
- ↑ Hanson, R.; Kouwenhoven, L. P.; Petta, J. R.; Tarucha, S.; Vandersypen, L. M. K. (1 de octubre de 2007). «Spins in few-electron quantum dots». Reviews of Modern Physics (en inglés) 79 (4): 1217-1265. ISSN 0034-6861. doi:10.1103/RevModPhys.79.1217. Consultado el 17 de octubre de 2020.
- ↑ Childress, Lilian; Hanson, Ronald (febrero de 2013). «Diamond NV centers for quantum computing and quantum networks». MRS Bulletin (en inglés) 38 (2): 134-138. ISSN 0883-7694. doi:10.1557/mrs.2013.20. Consultado el 17 de octubre de 2020.
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