4.6.5. Конструкция криогенных насосов

С целью уменьшения скорости испарения криоагента (вследствие нагревания поверхности сосуда, в котором он заключен, от излучения окружающей среды) применяются охлаждающие экраны, обладающие промежуточной температурой между криогенным сосудом и окружающей средой.

Так, например, сосуд с жидким гелием1) (при температуре 4 К) помещается в азот (при температуре ~77К), см. фиг. 4.91. В этих условиях расход гелия значительно уменьшается по сравнению со случаем, когда сосуд, в котором содержится гелий, находится непосредственно под воздействием окружающей среды (с температурой ~300 К). Очевидно, что обе поверхности двухоболочечного сосуда действуют как насосы: газы, легко конденсирующиеся, оседают на обеих поверхностях, а газы, трудно конденсирующиеся, — на поверхности сосуда с гелием. Отсюда следует, что сначала нужно включать азотный насос, а затем гелиевый.

На фиг. 4.92 представлено несколько типовых схем экранирования криогенных гелиевых поверхностей.

На фиг. 4.93 показан азотный криогенный насос. Этот насос состоит из тороидального резервуара жидкого азота N2 (ж.) и крышки 2, передвигаемой с помощью винтовой передачи 3, теплоизолированной сильфоном 4.

Соединение между крышкой 2 и платформой 6 герметизируют с помощью кольцевого уплотнения 5. Насос соединяют с вакуумируемой системой болтами за фланец платформы 6. Крышку 2 прижимают к платформе 6, откачивают через патрубок 7 газы из объема под крышкой и наполняют азотом резервуар 1. После того как газы из вакуумируемой системы удалены каким-либо насосом (например, диффузионным), отводят крышку 2 вниз для того, чтобы поверхность тороидального резервуара 1 могла сорбировать оставшиеся в откачиваемом объеме газы. На фиг. 4.94 показано, как снижается давление в вакуумируемой системе при работе одного только диффузионного насоса, а также при его совместной работе с криогенным насосом.

На фиг. 4.95 представлена схема криогенного гелиевого насоса, у которого резервуар жидкого гелия снабжен внешней оболочкой 2 из гофрированной жести. Эта оболочка посредством цилиндра 3 соединена с резервуаром жидкого азота 4. Как оболочка гелиевого резервуара, так и цилиндр изготовлены из металла, обладающего высокой теплопроводностью.

Резервуар с азотом также имеет рубашку, переходящую во фланец 5, который служит для фиксации криогенного насоса в отверстии вакуумируемой системы.

Оболочка 2 имеет температуру, близкую к температуре жидкого азота, и защищает резервуар с гелием от теплового излучения окружающей среды (стенок вакуумируемой системы).

Температура поверхности резервуара жидкого гелия, равная теоретически (при р = 760 Тор) 4,2 К, может быть дополнительно снижена путем уменьшения давления над гелием (путем откачки); например, при давлении 50 Тор температура жидкого гелия снижается до 2,3 К.

Уровень гелия в резервуаре регулируется с помощью датчика уровня 6 и управляющего электронного устройства, соединенного с выходом 7 датчика. Гелиевый криогенный насос (с диаметром входа ~10 см) обеспечивает скорость откачки ≈1000 л•с-1 для воздуха и ≈3000 л•с-1 для водорода (при 2,3К). Расход жидкого гелия (при р<10-5 Тор) составляет ~30 см3•ч-1 расход жидкого азота —около 0,5 л•ч-1. Время запуска насоса составляет ~8 ч (после предварительного прогрева до 670—680К). Скорости откачки воздуха и водорода для более мощного насоса достигают соответственно 5000 и 10000 л•с-1 при расходе гелия 60 см3•ч-1.

Например, гелиевый криогенный насос Vеесо СМS 100 имеет следующие параметры: предельное давление ~10-11 Тор (начальное давление ~10-2 Тор); скорость откачки S(л•с-1) для Н2O – 1100, N2 – 200, Н2 – 750, O2 – 190, Аr – 170, Не – 0, Не в присутствии аргона — 500. Перед запуском насос прогревается до 470—475 К.

Основные детали насоса изготовляются из нержавеющей стали, тепловые экраны — из никелированной меди, отражатели — из черненой меди. Расход криогенных жидкостей на установившемся режиме составляет: Не —0,5 л•сут-1 N2 — 2 л•сут-1.

Другое конструктивное решение гелиевого криогенного насоса представлено на фиг. 4.96. Основным его рабочим элементом является двухконтурный цилиндрический змеевик 2 из медной трубки. Внешний контур 4 является своего рода тепловым экраном для внутреннего контура 3. Жидкий гелий (под давлением ~1 атм) из сосуда Дьюара поступает в змеевик затем через регулятор 5 в масляный ротационный насос 6, а оттуда—в конденсатор. Этот насос позволяет снизить давление паров над жидким гелием, а тем самым и температуру жидкого гелия. Температура змеевика измеряется термопарой 7 по сигналу которой регулятор 5 поддерживает требуемую температуру путем увеличения или уменьшения скорости откачки паров гелия из пространства над жидкостью.

Систему предварительно откачивают форвакуумным насосом (например, цеолитовым) через вентиль 8, который затем закрывают.

Такой криогенный насос со скоростью откачки азота и водорода соответственно 5000 и 2500 л•с-1 расходует гелия 0 5 л•ч-1•при этом температура внутреннего контура змеевика составляет 2,5 К, а внешнего 14 К. Ожижение паров гелия производится путем сжатия газа, отведенного насосом 6, до 150 атм в стальных баллонах объемом ~40 л.