Tecnología Criogénica para Astronomía

La criogenia es la rama de la física encargada de la producción y los efectos de las bajas temperaturas, y el rango definido comprende de -150°C a -273°C, lo que es equivalente a 123 K (kelvin), el cero absoluto; también estudia el comportamiento de los materiales a estas temperaturas. Kelvin es una escala absoluta de temperatura usada por los físicos y sus unidades son una de las siete unidades base del Sistema Interna-cional de Unidades (SI), y la conversión de Celsius a la escala Kelvin se realiza añadiendo 273.15 a la escala Celsius.

Modelo 3d de criostato de tubo de pulsos que permite alcanzar temperaturas de 40 y 4k, en su base fría se encuentra instalado un refrigerador de helio-3 que enfría hasta 0.3 k. Este equipo se encuentra trabajando en el Laboratorio de Instrumentación Astronómica del INAOE para caracterizar detectores de astronomía milimétrica.

Para lograr estas bajas temperaturas es necesario contar con dispositivos especiales que puedan contener en su interior el experimento de manera aislada del ambiente exterior (que es mu-cho más caliente); estos dispositivos son conocidos como criostatos. Es por ello que en el diseño de un criostato es necesario tener en cuenta dos procesos fundamentales de transporte de calor: la conducción (a través de los sólidos) y la radiación térmica (en el espacio). Los procesos de conducción son descritos por la ley de Fourier1, mientras que los de radiación por la ley de Stephan-Boltz-mann2. Para reducir los efectos de conducción térmica se debe de tener un amplio conocimiento del comportamiento de los materiales en distintos rangos de temperatura. Materiales comúnmente usados en criostatos son: acero inoxidable, cobre libre de oxígeno o de alta pureza, aluminio, garolita y teflón entre otros, además es frecuente el uso de epóxicos y soldaduras para hacer uniones térmicas. Dichos materiales, además de obedecer un comportamiento térmico, deben ser mecánicamente resistentes, ya que son sometidos a un gran estrés debido a las variaciones en su coeficiente de expansión. Para el caso de minimizar los efectos de radiación, los físicos en criogenia deben de conocertécnicas de vacío, por ejemplo para re-mover los gases que existen en los criostatos y lograr que la muestra a estudiar quede aislada; o para reducir la presión sobre la superficie de un líquido criogénico y con ello bajar su temperatura.

En la actualidad podemos hablar en términos generales de dos tipos de criostatos que son utilizados comúnmente en los laboratorios de bajas temperaturas: los de ciclo abierto y los de ciclo cerrado. Para el caso de los de ciclo abierto se utilizan líquidos criogénicos, siendo los de uso más común el nitrógeno (LN2) y el helio líquido (LHe4) con puntos de ebullición a 77 y 4 K respectivamente a presión atmosférica. El isotopo de helio-3 merece una mención especial, ya que permite llegar a temperaturas de hasta 0.2 K, pero su precio puede llegar a ser 10,000 veces más caro que el LHe4. Existen diversos tipos de criostatos para líquidos criogénicos, entre los que destacan: los de inmersión, en donde la muestra se sumerge en un líquido criogénico con la ventaja de que no hay vibraciones, tienen alta potencia de enfriamiento y son baratos, sin embargo se requieren contenedores especiales para albergar la muestra, lo cual usualmente limita el espacio físico de trabajo; de flujo, en donde la muestra es colocada en un contenedor al vacío y protegida por escudos de radiación, y esta se enfría haciendo circular helio o nitrógeno líquidos en contacto con la base de la muestra, por lo que el enfriamiento se realiza por conducción, la temperatura puede ajustarse me-diante la regulación del flujo de los líquidos y el uso de un resistor utilizado como calentador con un sistema de retroalimentación, y los criostatos con tanques de almacenamiento de líquidos criogénicos que son protegidos por una cubierta de vacío y escudos de radiación para prolongar el tiempo de evaporación de dichos líquidos, la muestra se coloca en un volumen al vacío sobre una base fría que está en contacto directo con los tanques criogénicos, y también es protegida por escudos de radiación a la temperatura de los lí-quidos criogénicos. Estos dispositivos son ampliamente usados pues mantienen las muestras de estudio frías por largos periodos de tiempo y proveen un capacidad de enfriamiento alta, a la vez que el volumen de trabajo puede ser grande, este tipo de criostato puede llegar a ser muy complejo debido a las diversas etapas involucradas. Por otro lado, los criostatos de ciclo cerrado son dispositivos mucho más convenientes en donde a través del encendido de un interruptor se pueden obtener bajas temperaturas en su cámara de vacío, no utilizan líquidos criogénicos, sino una mezcla de gases, y pueden proveer diseños modulares para el volumen de trabajo; sin embargo, la potencia de enfriamiento suele ser muy limitada, especialmente por debajo de 10 K, además de que pueden sufrir de vibraciones debido a los elementos mecánicos involucrados en su construcción. Sistemas de ciclo cerrado tradicionales son el Gifford-McMahon que puede lograr temperaturas de 10K, y el G-M para 4K, estos equipos presentan la desventaja de introducir vibraciones y ruido que pueden alterar las mediciones realizadas sobre la muestra. Un sistema de más reciente tecnología es el enfriador por tubo de pulsos, que tiene un mínimo de vibraciones, ya que no hay partes mecánicas en la última etapa de enfriamiento pudiendo lograr temperaturas de hasta 2K.

Los sistemas criogénicos son ampliamente utilizados en diversos campos de la ciencia, permitiendo el estudio de muestras biológicas, propiedades eléctricas, magnéticas y superconductoras de materiales, espectroscopia, así como la caracterización de detectores para diversos rangos de longitudes de onda, entre otras muchas aplicaciones. En el laboratorio de instrumentación de on-das milimétricas de la Coordinación de Astrofísica del INAOE, se llevan a cabo diversos experimentos criogénicos en los rangos de temperatura de 77 K a 0.3 K para la caracterización de detectores y electrónica de lectura de los receptores del Gran Telescopio Milimétrico. Además, también se desa-rrolla el sistema criogénico del espectrógrafo MEGARA que operará en el Gran Telescopio de Canarias, así como diversos proyectos para estudiantes de licenciatura y posgrado.

Referencias

1http://www.thermopedia.com/content/781/

2http://www.thermopedia.com/content/1153/

*dferrus@inaoep.mx · INAOE