Un criostato (de cryo, que significa frío, y stat , que significa estable) es un dispositivo que se utiliza para mantener bajas temperaturas criogénicas de muestras o dispositivos montados dentro del criostato. Se pueden mantener bajas temperaturas dentro de un criostato mediante el uso de varios métodos de refrigeración, el más común de los cuales es el baño de fluido criogénico, como el helio líquido . [1] Por lo tanto, generalmente se ensambla en un recipiente, de construcción similar a un termo o Dewar . Los criostatos tienen numerosas aplicaciones en la ciencia, la ingeniería y la medicina.
Los criostatos de ciclo cerrado constan de una cámara a través de la cual se bombea vapor de helio frío. Un refrigerador mecánico externo extrae el vapor de helio más caliente, que se enfría y se recicla. Los criostatos de ciclo cerrado consumen una cantidad relativamente grande de energía eléctrica, pero no necesitan ser rellenados con helio y pueden funcionar de forma continua durante un período indefinido. Los objetos pueden enfriarse fijándolos a una placa fría metálica 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 con criógenos líquidos (normalmente helio líquido o nitrógeno) provenientes de un recipiente de almacenamiento. A medida que el criógeno hierve dentro del criostato, se repone continuamente mediante un flujo constante proveniente del recipiente de almacenamiento. El control de temperatura de la muestra dentro del criostato se realiza normalmente controlando el caudal de criógeno que ingresa al criostato junto con un cable calefactor conectado a un circuito de control de temperatura PID . El tiempo durante el cual se puede mantener el enfriamiento depende del volumen de criógenos disponibles.
Debido a la escasez de helio líquido, algunos laboratorios cuentan con instalaciones para capturar y recuperar el helio cuando escapa del criostato, aunque estas instalaciones también son costosas de operar.
Los criostatos de baño tienen una construcción similar a la de los matraces de vacío llenos de helio líquido. Se coloca una placa fría en contacto térmico con el baño de helio líquido. El helio líquido se puede reponer a medida que se evapora, a intervalos de entre unas pocas 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 un escudo de vacío con paredes construidas con material superaislante. El vapor de helio que se evapora del baño enfría de manera muy eficaz los escudos térmicos alrededor del exterior del baño. En los diseños más antiguos puede haber un baño de nitrógeno líquido adicional o varias capas concéntricas de blindaje, con temperaturas que aumentan gradualmente. Sin embargo, la invención de materiales superaislantes ha dejado obsoleta esta tecnología.
Para lograr temperaturas inferiores a las del helio líquido a presión atmosférica, se pueden añadir etapas de refrigeración adicionales al criostato. Se pueden alcanzar temperaturas de hasta 1 K conectando la placa fría a un recipiente 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 lograr temperaturas justo por debajo de 0,300 K utilizando He-3, el isótopo raro del helio, como fluido de trabajo en un recipiente 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 recipiente de 1 K. Se pueden alcanzar temperaturas inferiores a esa utilizando refrigeración magnética .
Los criostatos utilizados en las máquinas de resonancia magnética están diseñados para mantener un criógeno , normalmente helio , en estado líquido con una evaporación mínima (evaporación). El baño de helio líquido está diseñado para mantener la bobina de alambre superconductor del imán superconductor en su estado superconductor. En este estado, el alambre no tiene resistencia eléctrica y se mantienen corrientes muy grandes con una entrada de energía baja. Para mantener la superconductividad, la bobina debe mantenerse por debajo de su temperatura de transición sumergiéndola en el helio líquido. Si, por alguna razón, el alambre se vuelve resistivo, es decir, pierde superconductividad, una condición conocida como " extinción ", el helio líquido se evapora, aumentando instantáneamente la presión dentro del recipiente. Se coloca un disco de ruptura , normalmente hecho de carbono, dentro de la chimenea o el tubo de ventilación para que, durante una excursión de presión, el helio gaseoso pueda ventilarse de forma segura fuera de la sala de resonancia magnética. Los criostatos de resonancia magnética modernos utilizan un refrigerador mecánico ( crioenfriador ) para volver a condensar el gas helio y devolverlo al baño, para mantener las condiciones criogénicas y conservar el helio.
Por lo general, los criostatos se fabrican con dos recipientes, uno dentro del otro. El recipiente exterior se vacía con el vacío que actúa como aislante térmico. El recipiente interior contiene el criógeno y está soportado dentro del recipiente exterior por estructuras hechas de materiales de baja conductividad. Un escudo intermedio entre los recipientes exterior e interior intercepta el calor irradiado desde el recipiente exterior. Este calor es eliminado por un crioenfriador. Los criostatos de helio más antiguos utilizaban un recipiente de nitrógeno líquido como escudo de radiación y tenían el helio líquido en un tercer recipiente interior. Hoy en día se fabrican pocas unidades que utilicen varios criogénicos y la tendencia es hacia criostatos "sin criógeno" en los que todas las cargas de calor se eliminan mediante crioenfriadores.
Los criostatos se utilizan en medicina para cortar preparaciones histológicas. Por lo general, se utilizan en un proceso llamado histología de secciones congeladas (ver Procedimiento de sección congelada ). El criostato es esencialmente un "cortador de fiambres" ultrafino , llamado micrótomo , colocado en un congelador. El criostato suele ser un congelador vertical estacionario, con una rueda externa para girar el micrótomo. La temperatura se puede variar, dependiendo del tejido que se esté cortando, generalmente de −20 °C a −30 °C. El congelador funciona con electricidad o con un refrigerante como el nitrógeno líquido. Hay criostatos portátiles pequeños disponibles que pueden funcionar con generadores o inversores de vehículos. Para minimizar el calentamiento innecesario, todos los movimientos mecánicos necesarios del micrótomo se pueden lograr a mano a través de una rueda montada fuera de la cámara. Los micrótomos más nuevos tienen un avance eléctrico del tejido con un botón pulsador. La precisión del corte se mide en micrómetros. El tejido se secciona con un grosor de hasta 1 micrómetro. Los portaobjetos de histología habituales se montan con un espesor 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) en un "mandril" de metal y se congelan a 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 a una calidad satisfactoria, se monta en un portaobjetos de vidrio transparente tibio (a temperatura ambiente), donde se derretirá y se adherirá instantáneamente. El portaobjetos de vidrio y la muestra se secan con un secador o se secan al aire y se tiñen. Todo el proceso desde el montaje hasta la lectura del portaobjetos lleva de 10 a 20 minutos, lo que permite un diagnóstico rápido en el quirófano, para la escisión quirúrgica del cáncer. El criostato se puede utilizar para cortar histología y portaobjetos de tejido (por ejemplo, para la localización de enzimas) fuera de la medicina, pero la calidad de la sección es deficiente en comparación con la histología montada en cera de sección fija estándar.