A novel scheme of a large capacity, Ultra-High-Vacuum (UHV) compatible helium cryostat was designed for a Scanning Probe Microscope (SPM) system, using vapor-cooled shields. Three heat exchangers attached to the shields maximize cooling power by vapor from cryogen without the aid of superinsulation or a nitrogen jacket. To reduce conductive and radiative heat transfer into cryogen, the inner part of the cryostat are only supported by three narrow pipes with multi-functions, and double radiation shields are installed around a dewar. Besides, thermal and mechanical elements, such as thermal contraction, heat capacity, and thermo-acoustic oscillations, are considered for the cryostat design. Temperature of each shield at thermal equilibrium and holding time of cryogen was computed by a C/C++ code. The simulation showed that the cryostat is compatible with both liquid helium and nitrogen, and the holding time for 32 L of liquid helium was expected to be 10 days. However, the actual performance was not as good as the expectation due to poor conductance of heat exchangers. Hence, a revised design of heat exchangers was suggested. The validity of the revised design was demonstrated by calcu-lating its conductance and cooling efficiency, and it will be tested in the future.
주사 탐침 현미경 시스템에 적용하기 위해 증기 냉각식 실드를 이용한 초고진공용 대용량 헬륨 크라이오스탯을 고안하였다. 초단열재나 질소 재킷을 사용하지 않고, 액체 질소/헬륨으로부터 나오는 증기가 실드에 부착된 3개의 열교환기를 지나게 하여 냉각 효율을 높였다. 전도와 복사를 통해 액체 질소/헬륨에 전달되는 열을 줄이기 위해 3개의 얇은 다목적 파이프로 크라이오스탯의 내부를 지탱하였고, 2중의 복사 차폐 실드를 듀어 주변에 설치하였다. 이외에 열수축과 열용량, 열음향진동 등 여러 열적·기계적 요소들을 고려하여 크라이오스탯을 설계하였다. C/C++ 코드를 통해 평형 상태에서 각 실드의 온도와 액체 질소/헬륨의 유지 기간을 계산하였다. 계산 결과, 크라이오스탯이 액체 헬륨뿐만 아니라 액체 질소를 통해 사용될 수 있음을 보였고, 32 리터의 액체 헬륨을 10일 동안 유지할 수 있을 것으로 예상되었다. 하지만 실험 결과, 열교환기의 컨덕턴스 문제로 인해 실제 성능은 이에 미치지 못하였다. 따라서 이 문제를 해결하기 위해 새로운 열교환기 디자인을 제시하였다. 컨덕턴스와 냉각 효율 계산을 통해 새 디자인의 유효성을 입증했고, 추후에 시험될 예정이다.
