Un criostato (de crio que significa frío y stat que significa estable) es un dispositivo que se utiliza para mantener temperaturas criogénicas bajas 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, más comúnmente utilizando un baño de fluido criogénico como el helio líquido . [1] Por lo tanto, generalmente se ensambla en un recipiente, de construcción similar a un matraz de vacío 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 es necesario rellenarlos con helio y pueden funcionar de forma continua durante un período indefinido. Los objetos se pueden enfriar uniéndolos 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 mediante criógenos líquidos (normalmente helio o nitrógeno líquidos) procedentes de un recipiente dewar de almacenamiento. A medida que el criógeno hierve dentro del criostato, se repone continuamente mediante un flujo constante desde el recipiente de almacenamiento. El control de temperatura de la muestra dentro del criostato normalmente se realiza controlando el caudal de criógeno en el criostato junto con un cable calefactor conectado a un circuito de control de temperatura PID . El período de tiempo durante el cual se puede mantener el enfriamiento está dictado por el volumen de criógenos disponibles.
Debido a la escasez de helio líquido, algunos laboratorios cuentan con instalaciones para capturar y recuperar el helio a medida que se escapa del criostato, aunque estas instalaciones también son costosas de operar.
Los criostatos de baño son similares en construcción a 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, en intervalos de entre unas pocas horas y varios meses, dependiendo del volumen y la construcción del criostato. La tasa de ebullición se minimiza protegiendo el baño con vapor de helio frío o con una protección de vacío con paredes construidas con material súper aislante. El vapor de helio que sale del baño enfría muy eficazmente los escudos térmicos que se encuentran alrededor del exterior del baño. En los diseños más antiguos puede haber un baño de nitrógeno líquido adicional o varias capas concéntricas de protección, con temperaturas que aumentan gradualmente. Sin embargo, la invención de materiales súper aislantes ha hecho que esta tecnología quede obsoleta.
Para lograr temperaturas más bajas que el helio líquido a presión atmosférica, se pueden agregar etapas más frías 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 alcanzar temperaturas justo por debajo de 0,300 K utilizando He-3, el raro isótopo 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. Temperaturas inferiores a las que se pueden alcanzar mediante 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 (ebullición). 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 cable 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 helio líquido. Si, por alguna razón, el cable se vuelve resistivo, es decir, pierde superconductividad, una condición conocida como " enfriamiento ", el helio líquido se evapora, elevando instantáneamente la presión dentro del recipiente. Se coloca un disco de explosión , normalmente hecho de carbono, dentro de la chimenea o del tubo de ventilación para que, durante una excursión de presión, el helio gaseoso pueda salir de forma segura 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.
Normalmente los criostatos se fabrican con dos recipientes, uno dentro del otro. El recipiente exterior se evacua con el vacío actuando como aislante térmico. El recipiente interior contiene el criógeno y está sostenido 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 se elimina mediante un crioenfriador. Los criostatos de helio más antiguos utilizaban un recipiente de nitrógeno líquido como escudo contra la radiación y tenían el helio líquido en un tercer recipiente interior. Hoy en día se fabrican pocas unidades que utilizan criógenos múltiples y la tendencia es hacia criostatos "libres de criógenos" en los que todas las cargas de calor se eliminan mediante crioenfriadores.
Los criostatos se utilizan en medicina para cortar portaobjetos histológicos. Por lo general, se utilizan en un proceso llamado histología de sección congelada (consulte Procedimiento de sección congelada ). El criostato es esencialmente un "cortador de delicatessen" ultrafino , llamado microtomo , colocado en un congelador. El criostato suele ser un congelador vertical estacionario, con una rueda externa para girar el microtomo. La temperatura se puede variar, dependiendo del tejido que se corte, normalmente entre -20 °C y -30 °C. El congelador funciona con electricidad o con un refrigerante como el nitrógeno líquido. Hay pequeños criostatos portátiles disponibles que pueden funcionar con generadores o inversores de vehículos. Para minimizar el calentamiento innecesario, todos los movimientos mecánicos necesarios del microtomo se pueden lograr manualmente mediante una rueda montada fuera de la cámara. Los micrótomos más nuevos tienen un botón eléctrico para avanzar el tejido. La precisión del corte es en micrómetros. El tejido se corta en secciones tan finas como 1 micrómetro. Los portaobjetos histológicos 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) sobre un "mandril" de metal y se congelan a la temperatura de corte (por ejemplo, a -20 °C). Una vez congelada, la muestra en el portabrocas se monta en el microtomo. Se gira la manivela y la muestra avanza hacia la cuchilla de corte. Una vez que la muestra se corta hasta obtener una calidad satisfactoria, se monta en un portaobjetos de vidrio transparente tibio (temperatura ambiente), donde se derretirá y adherirá instantáneamente. El portaobjetos de vidrio y la muestra se secan con una secadora 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 histología y portaobjetos de tejido (p. ej., para localización de enzimas) fuera de la medicina, pero la calidad de la sección es deficiente en comparación con la histología estándar montada en cera con sección fija.