Criostato

Los criostatos de ciclo cerrado constan de una cámara por la que se bombea vapor de helio frío. Un refrigerador mecánico externo extrae el vapor de helio caliente que sale de la cámara, el cual se enfría y se recicla. Los criostatos de ciclo cerrado consumen una cantidad relativamente grande de energía eléctrica, no necesitan recargarse con helio y pueden funcionar de forma continua durante un período indefinido. Los objetos se pueden enfriar fijándolos a una placa metálica fría dentro de una cámara de vacío que está en contacto térmico con la cámara de vapor de helio.

Los criostatos de flujo continuo se enfrían mediante criógenos líquidos (normalmente helio o nitrógeno líquido) procedentes de un recipiente Dewar. A medida que el criógeno hierve dentro del criostato, se repone continuamente mediante un flujo constante desde el recipiente Dewar. El control de la temperatura de la muestra dentro del criostato se realiza normalmente regulando el caudal de criógeno que entra en el criostato, junto con un cable calefactor conectado a un circuito de control de temperatura PID . El tiempo durante el cual se puede mantener la refrigeración viene determinado por el volumen de criógeno disponible.

Debido a la escasez de helio líquido, algunos laboratorios cuentan con instalaciones para capturar y recuperar el helio que se escapa del criostato, aunque el funcionamiento de estas instalaciones también resulta costoso.

Los criostatos de baño tienen una construcción similar a la de los termos llenos de helio líquido. Una placa fría se coloca en contacto térmico con el baño de helio líquido. Este se puede reponer a medida que se evapora, a intervalos que varían entre unas horas y varios meses, según el volumen y la construcción del criostato. La tasa de evaporación se minimiza protegiendo el baño con vapor de helio frío o con una pantalla de vacío con paredes de material superaislante. El vapor de helio que se evapora del baño enfría eficazmente las pantallas térmicas que lo rodean. En los diseños más antiguos, se podía añadir un baño de nitrógeno líquido o varias capas concéntricas de protección con temperaturas que aumentaban gradualmente. Sin embargo, la invención de los materiales superaislantes ha dejado obsoleta esta tecnología.

Para alcanzar temperaturas inferiores a las del helio líquido a presión atmosférica, se pueden añadir etapas de enfriamiento adicionales al criostato.  Se pueden alcanzar temperaturas de hasta 1 K conectando la placa fría a un criostato de 1 K , que es un recipiente del isótopo He-4 que se puede bombear a baja presión de vapor mediante una bomba de vacío. Se pueden alcanzar temperaturas ligeramente inferiores a 0,300  K utilizando He-3, el isótopo raro del helio, como fluido de trabajo en un criostato de helio. Se pueden alcanzar temperaturas de hasta 1  mK empleando un refrigerador de dilución o un refrigerador de dilución en seco, normalmente además de la etapa principal y el  criostato de 1 K. Se pueden alcanzar temperaturas inferiores a esta utilizando refrigeración magnética .

Los criostatos utilizados en las máquinas de resonancia magnética están diseñados para mantener un criógeno , generalmente helio , en estado líquido con una evaporación mínima. El baño de helio líquido está diseñado para mantener la bobina del imán superconductor , compuesta de hilo superconductor , en su estado superconductor. En este estado, el hilo no presenta resistencia eléctrica y se mantienen corrientes muy elevadas con una baja potencia de entrada. Para mantener la superconductividad, la bobina debe mantenerse por debajo de su temperatura de transición sumergida en el helio líquido. Si, por cualquier motivo, el hilo se vuelve resistivo, es decir, pierde la superconductividad (condición conocida como " quench "), el helio líquido se evapora, aumentando instantáneamente la presión dentro del recipiente. Un disco de ruptura , generalmente de carbono, se coloca dentro de la chimenea o el tubo de ventilación para que, durante una variación de presión, el helio gaseoso pueda ser expulsado de forma segura de la sala de resonancia magnética. Los criostatos modernos para resonancia magnética utilizan un refrigerador mecánico ( criorefrigerador ) para volver a condensar el gas helio y devolverlo al baño, con el fin de mantener las condiciones criogénicas y conservar el helio.

Normalmente, los criostatos se fabrican con dos recipientes, uno dentro del otro. El recipiente exterior se evacua, actuando el vacío como aislante térmico. El recipiente interior contiene el criógeno y se encuentra dentro del recipiente exterior mediante estructuras de materiales de baja conductividad. Un escudo intermedio entre ambos recipientes intercepta el calor irradiado por el recipiente exterior. Este calor se elimina mediante un criorefrigerador. Los criostatos de helio más antiguos utilizaban un recipiente de nitrógeno líquido como escudo contra la radiación y el helio líquido se almacenaba en un tercer recipiente interior. Actualmente, se fabrican pocas unidades que utilicen múltiples criógenos, y la tendencia apunta hacia los criostatos "sin criógeno", en los que toda la carga térmica se elimina mediante criorefrigeradores.

Los criostatos se utilizan en medicina para cortar portaobjetos histológicos. Generalmente se emplean en un proceso denominado histología por congelación (véase Procedimiento de congelación ). El criostato es esencialmente una "cortadora de fiambres" ultrafina , llamada micrótomo , colocada en un congelador. El criostato suele ser un congelador vertical fijo, con una rueda externa para girar el micrótomo. La temperatura se puede variar, dependiendo del tejido que se esté cortando, generalmente entre -20  °C y -30  °C. El congelador funciona con electricidad o con un refrigerante como el nitrógeno líquido. Existen criostatos portátiles pequeños que pueden funcionar con generadores o inversores de vehículos. Para minimizar el calentamiento innecesario, todos los movimientos mecánicos necesarios del micrótomo se pueden realizar manualmente mediante una rueda montada fuera de la cámara. Los micrótomos más modernos cuentan con un sistema eléctrico de avance del tejido mediante pulsadores. La precisión del corte se mide en micrómetros. Los tejidos se seccionan con un grosor de tan solo 1 micrómetro. Los portaobjetos histológicos habituales se montan con un grosor de aproximadamente 7 micrómetros. Las muestras que son blandas a temperatura ambiente se montan en un medio de corte (a menudo hecho de clara de huevo ) sobre un mandril metálico y se congelan a la temperatura de corte (por ejemplo, a -20  °C). Una vez congelada, la muestra en el mandril se monta en el micrótomo. Se gira la manivela y la muestra avanza hacia la cuchilla de corte. Una vez que la muestra se corta con la calidad adecuada, se monta en un portaobjetos de vidrio transparente tibio (a temperatura ambiente), donde se fundirá y adherirá instantáneamente. El portaobjetos y la muestra se secan con un secador o al aire y se tiñen. Todo el proceso, desde el montaje hasta la lectura del portaobjetos, dura de 10 a 20 minutos, lo que permite un diagnóstico rápido en el quirófano para la extirpación quirúrgica del cáncer. El criostato se puede utilizar para cortar muestras histológicas y portaobjetos de tejido (por ejemplo, para la localización de enzimas) fuera del ámbito médico, pero la calidad de la sección es inferior en comparación con la histología estándar de secciones fijas montadas en parafina.