جهاز التبريد

تتكون أجهزة التبريد ذات الدورة المغلقة من حجرة يُضخ عبرها بخار الهيليوم البارد. يقوم مبرد ميكانيكي خارجي بسحب بخار الهيليوم الدافئ، الذي يُبرد ويُعاد تدويره. تستهلك أجهزة التبريد ذات الدورة المغلقة كمية كبيرة نسبيًا من الطاقة الكهربائية، ولا تحتاج إلى إعادة تعبئة بالهيليوم، ويمكنها العمل بشكل متواصل لفترة غير محددة. يمكن تبريد الأجسام عن طريق تثبيتها على صفيحة معدنية باردة داخل حجرة مفرغة من الهواء ، والتي تكون على اتصال حراري مع حجرة بخار الهيليوم.

تُبرَّد أجهزة التبريد ذات التدفق المستمر بواسطة مواد تبريد سائلة (عادةً الهيليوم السائل أو النيتروجين) من خزان تخزين. ومع غليان مادة التبريد داخل جهاز التبريد، يتم تجديدها باستمرار بتدفق ثابت من خزان التخزين. ويتم التحكم في درجة حرارة العينة داخل جهاز التبريد عادةً عن طريق التحكم في معدل تدفق مادة التبريد إلى الجهاز، بالإضافة إلى سلك تسخين متصل بحلقة تحكم في درجة الحرارة من نوع PID . وتُحدد مدة التبريد بحجم مادة التبريد المتاحة.

نظراً لندرة الهيليوم السائل، تمتلك بعض المختبرات مرافق لالتقاط واستعادة الهيليوم أثناء تسربه من جهاز التبريد، على الرغم من أن تشغيل هذه المرافق مكلف أيضاً.

تتشابه أجهزة التبريد بالحمامات في تركيبها مع قوارير التفريغ المملوءة بالهيليوم السائل. توضع صفيحة باردة في اتصال حراري مع حمام الهيليوم السائل. ويمكن تجديد الهيليوم السائل أثناء تبخره، على فترات تتراوح بين بضع ساعات وعدة أشهر، وذلك حسب حجم جهاز التبريد وتصميمه. ويتم تقليل معدل التبخر إلى أدنى حد ممكن عن طريق حماية الحمام إما ببخار الهيليوم البارد، أو بدرع تفريغ ذي جدران مصنوعة من مادة عازلة فائقة. ويعمل بخار الهيليوم المتصاعد من الحمام بكفاءة عالية على تبريد الدروع الحرارية المحيطة بالحمام. في التصاميم القديمة، كان من الممكن إضافة حمام نيتروجين سائل، أو عدة طبقات متحدة المركز من الدروع، مع ارتفاع تدريجي في درجات الحرارة. إلا أن اختراع المواد العازلة الفائقة جعل هذه التقنية قديمة.

لتحقيق درجات حرارة أقل من درجة حرارة الهيليوم السائل عند الضغط الجوي، يمكن إضافة مراحل تبريد إضافية إلى جهاز التبريد الفائق.  ويمكن الوصول إلى درجات حرارة تصل إلى 1 كلفن عن طريق توصيل الصفيحة الباردة بوعاء 1 كلفن ، وهو عبارة عن حاوية تحتوي على نظير الهيليوم-4، ويمكن تفريغها إلى ضغط بخار منخفض باستخدام مضخة تفريغ.  ويمكن الوصول إلى درجات حرارة أقل بقليل من 0.300 كلفن باستخدام الهيليوم-3، وهو نظير نادر للهيليوم، كسائل عامل في وعاء الهيليوم.  ويمكن الوصول إلى درجات حرارة تصل إلى 1 ملي كلفن باستخدام مبرد التخفيف أو مبرد التخفيف الجاف، عادةً بالإضافة إلى المرحلة الرئيسية  ووعاء 1 كلفن. ويمكن الوصول إلى درجات حرارة أقل من ذلك باستخدام التبريد المغناطيسي .

صُممت أجهزة التبريد المستخدمة في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي لحفظ مادة التبريد ، عادةً الهيليوم ، في حالة سائلة مع الحد الأدنى من التبخر. صُمم حمام الهيليوم السائل للحفاظ على بكرة السلك فائق التوصيل في حالة التوصيل الفائق للمغناطيس. في هذه الحالة، ينعدم المقاومة الكهربائية للسلك، ويتم الحفاظ على تيارات عالية جدًا مع مدخلات طاقة منخفضة. للحفاظ على التوصيل الفائق، يجب إبقاء البكرة دون درجة حرارة انتقالها عن طريق غمرها في الهيليوم السائل. إذا أصبح السلك مقاومًا لأي سبب من الأسباب، أي فقد التوصيل الفائق، وهي حالة تُعرف باسم " الانطفاء المفاجئ "، يتبخر الهيليوم السائل، مما يؤدي إلى ارتفاع فوري في الضغط داخل الجهاز. يتم وضع قرص انفجار ، مصنوع عادةً من الكربون، داخل المدخنة أو أنبوب التهوية بحيث يمكن تهوية غاز الهيليوم بأمان خارج غرفة التصوير بالرنين المغناطيسي أثناء حدوث ارتفاع مفاجئ في الضغط. تستخدم أجهزة التبريد الحديثة للتصوير بالرنين المغناطيسي ثلاجة ميكانيكية ( مبرد تبريد ) لإعادة تكثيف غاز الهيليوم وإعادته إلى الحمام، للحفاظ على الظروف المبردة والحفاظ على الهيليوم.

تُصنع أجهزة التبريد الفائق عادةً بوعاءين، أحدهما داخل الآخر. يُفرغ الوعاء الخارجي من الهواء، حيث يعمل الفراغ كعازل حراري. يحتوي الوعاء الداخلي على المادة المبردة، وهو مدعوم داخل الوعاء الخارجي بهياكل مصنوعة من مواد منخفضة التوصيل الحراري. يعترض درع وسيط بين الوعاءين الحرارة المنبعثة من الوعاء الخارجي، وتُزال هذه الحرارة بواسطة مُبرد فائق. كانت أجهزة التبريد الفائق القديمة التي تعمل بالهيليوم تستخدم وعاءً من النيتروجين السائل كدرع إشعاعي، وكان الهيليوم السائل موجودًا في وعاء داخلي ثالث. أما اليوم، فنادرًا ما تُصنع وحدات تستخدم مواد تبريد فائقة متعددة، إذ يتجه التطور نحو أجهزة التبريد الفائق "الخالية من مواد التبريد الفائقة"، حيث تُزال جميع الأحمال الحرارية بواسطة مُبردات فائقة.

تُستخدم أجهزة التقطيع بالتبريد في الطب لتقطيع الشرائح النسيجية. وتُستخدم عادةً في عملية تُسمى علم الأنسجة بالشرائح المجمدة (انظر إجراء الشرائح المجمدة ). جهاز التقطيع بالتبريد هو في الأساس جهاز تقطيع دقيق للغاية يُسمى الميكروتوم ، يوضع داخل مُجمد. عادةً ما يكون جهاز التقطيع بالتبريد مُجمدًا رأسيًا ثابتًا، مزودًا بعجلة خارجية لتدوير الميكروتوم. يمكن تغيير درجة الحرارة، حسب نوع النسيج المراد تقطيعه، عادةً من -20  درجة مئوية إلى -30  درجة مئوية. يعمل المُجمد إما بالكهرباء أو بمادة تبريد مثل النيتروجين السائل. تتوفر أجهزة تقطيع بالتبريد صغيرة محمولة يمكن تشغيلها بواسطة مولدات كهربائية أو محولات كهربائية للسيارات. لتقليل التسخين غير الضروري، يمكن إجراء جميع الحركات الميكانيكية اللازمة للميكروتوم يدويًا عبر عجلة مثبتة خارج الحجرة. تحتوي الميكروتومات الأحدث على زر كهربائي لتحريك النسيج. دقة التقطيع بالميكرومتر. يتم تقطيع الأنسجة إلى شرائح رقيقة تصل إلى 1 ميكرومتر. تُثبّت شرائح الأنسجة عادةً بسماكة حوالي 7 ميكرومترات. تُثبّت العينات اللينة في درجة حرارة الغرفة على وسط تقطيع (غالباً ما يكون مصنوعاً من بياض البيض ) على حامل معدني، وتُجمّد إلى درجة حرارة التقطيع (على سبيل المثال، عند -20  درجة مئوية). بعد التجميد، تُثبّت العينة على الحامل في جهاز الميكروتوم. يُدار ذراع التدوير فتتقدم العينة نحو شفرة التقطيع. بمجرد تقطيع العينة إلى جودة مُرضية، تُثبّت على شريحة زجاجية شفافة دافئة (في درجة حرارة الغرفة)، حيث تذوب وتلتصق فوراً. تُجفف الشريحة الزجاجية والعينة باستخدام مجفف أو بالهواء، ثم تُصبغ. تستغرق العملية بأكملها، من التثبيت إلى قراءة الشريحة، من 10 إلى 20 دقيقة، مما يسمح بالتشخيص السريع في غرفة العمليات، لاستئصال السرطان جراحياً. يمكن استخدام جهاز التقطيع المبرد لتقطيع شرائح الأنسجة (مثلاً، لتحديد موقع الإنزيم) خارج المجال الطبي، ولكن جودة المقطع تكون رديئة مقارنةً بشرائح الأنسجة الثابتة المُثبّتة بالشمع.