4.6.2.1. Ожиженный газ как охладитель

Поверхность, охлаждаемая ожиженным газом, называется криогенной поверхностью, а ожиженный газ — криогенной жидкостью.

На фиг. 4.85 приведены кривые, характеризующие связь между температурой кипения ожиженного газа и равновесным давлением его паров для различных жидкостей.

Явление испарения криогенной жидкости газа имеет, как уже упоминалось, принципиальное значение для получения низких температур, а интенсивность испарения оказывает влияние на уровень этой температуры: снижение давления над жидкостью способствует более интенсивному испарению и снижению температуры, а повышение давления замедляет процесс испарения и приводит к повышению температуры.

В табл. 4.10 указаны температуры кипения некоторых криогенных жидкостей при различных давлениях их паров.

Давление откачиваемого газа р над криогенной поверхностью с температурой Тк зависит от рода этого газа. Криогенный насос должен сделать это давление по возможности низким.

Графики фиг. 4.85 позволяют оценить пригодность криогенной поверхности с температурой Т для откачки различных газов. Пригодность для откачки определяется ориентировочным давлением, какое будет иметь тот или иной газ над криогенной поверхностью (чистой, без изолирующего поверхностного слоя, при условии, что температура не возрастает). Соответствующие данные приведены в табл. 4.11.

Так как при переходе от газообразного состояния к жидкому и от жидкого к твердому происходят большие изменения в давлении газа (пара), то изменения температуры криогенной поверхности могут оказывать значительное влияние на предельное давление насоса. Это видно из кривых фиг. 4.85.

На фиг. 4.86 приведены зависимости давления паров водорода и гелия от температуры вблизи точки кипения гелия. Эти зависимости позволяют определить температуру жидкого гелия, соответствующую тому или иному предельному давлению паров водорода.

Отсюда следует, что, например, при изменении температуры Тк от 3 до 4 К давление водорода будет меняться от 10-11 до 10-7 Тор. Такие изменения температуры Тк могут быть вызваны, например, утолщением слоя затвердевшего водорода на криогенной поверхности. Этот слой теплоизолирует поверхность металла от нового слоя водорода. Поэтому температура криогенной поверхности обычно на 1—2 К выше температуры кипения криогенного охладителя. При проектировании и применении криогенных насосов указанное обстоятельство (ухудшение вакуума при образовании поверхностного слоя конденсированных газов) следует учитывать.

Необходимую температуру криогенного охладителя сохраняют чаще всего с помощью автоматического электронного устройства, которое регулирует скорость испарения криогенной жидкости и поддерживает постоянным его количество в криогенной системе. Например, для поддержания температуры ЗК давление паров жидкого гелия должно составлять ~200 Тор (фиг. 4.86).