II. Криогенные насосы

Структура слоев газов, сконденсированных в вакууме, зависит от природы вещества, энергетического и углового распределения частиц, падающих на поверхность, природы и структуры вещества подложки, наличия примесей и их свойств, от температуры поверхности, условий теплопередачи, скорости осаждения и т. д. [7].

В настоящее время исследованы адсорбционные свойства пленок разнообразных газов и паров; все они в той или иной мере являются сорбентами для водорода, неона и гелия.

В области температур жидкого водорода хорошими сорбентами для Н2 и Nе являются СО2, SО2, NO2, Н2O, Хе, спирт, бензин и ацетон — вещества, конденсирующиеся при Тос <<1/3Тсубл, где Тос — температура осаждения, а Тсубл — температура сублимации слоя. Измерения показали, что при таких переохлаждениях все указанные выше вещества конденсируются в поликристаллические слои с размерами кристаллических зерен ~10-6см. Повышение температуры осаждения до Тос ≥2/3Тсубл (например, СO2 при 78 К) приводит к образованию слоя с размером зерна ~10-4 см, обладающего при 20 К незначительной сорб- ционной емкостью. Слои N2, Аr, O2, СН4, осажденные при температуре 20 К, имеют размер зерен ~5•10-5 см и являются слабыми сорбентами. Снижение же температуры осаждения для N2 и Аг до 14 К приводит к увеличению сорбционной емкости на 2—3 порядка величины. При температуре осаждения 4—8 К сорбционные емкости Аr и N2 по отношению к Н2 и Не достигают значения сорбционных емкостей слоев СO2 (размер кристаллических зерен Аr в этих условиях составляет ~ 10-6 см). В гелиевой области температур все вещества являются сорбентами для Не. Даже Н2, осажденный при 2К (размер зерна ~ 10-6 см), сорбирует Не в заметных количествах.

Структура слоев и их адсорбционные свойства зависят также от наличия примесей. Различают четыре условные группы примесей: 1) примеси, у которых теплота конденсации больше, чем у основных молекул слоя (например, Н2O, SO2 в СO2); 2) примеси с меньшими теплотами (Аг, N2 в СO2); 3) примеси, не конденсируемые, а лишь сорбируемые при данных температурах в малых концентрациях (Н2 и Не в СО при 20 К); 4) примеси, сорбируемые в больших концентрациях (Н2 в СO2, Аr при 4,2 К). Примеси в зависимости от их концентрации и природы(размера, формы молекул, типа связи) располагаются либо изотропно внутри и на поверхности зерна, образуя твердые растворы, либо выступают в виде зерен второй фазы при ограниченной растворимости [7].

Формирование слоев отвердевших газов можно представить следующим образом: в начальный момент на поверхности образуется большое число различно ориентированных зародышей слоя; затем, в процессе конденсации, они срастаются в компактный слой с текстурированными столбчатыми зернами. Для большинства веществ, конденсирующихся в ГЦК-модификацию, при большом переохлаждении рост зерен происходит в направлении плоскости (111), параллельной подложке. По мере роста толщины слоя крупные зерна поглощают мелкие, и средний размер зерен растет. Сложная межзеренная граница столбчатых кристаллов характеризуется развитой поверхностью и большим числом пор с размером в несколько диаметров молекул вещества слоя.

Использование для конденсации слоев отвердевших газов позволило создать криогенные насосы, работающие в диапазоне давлений от атмосферного до 10-13 Тор и обеспечивающие полностью безмасляную откачку камер большого объема. Примером может служить насосная система, описанная в работе [8]. Основным элементом ее является цилиндрическая криопанель из листовой меди толщиной 1,5 мм, которая располагается в вакуумной камере объемом 800 л и охлаждается жидкими N2, Н2 и Не. Криопанель с торцов защищается от излучения стенок камеры медными экранами, охлаждаемыми жидким N2. В пространстве между экраном и криопанелями размещается трубка для напуска газов-сорбентов. Вакуумная камера через один клапан соединяется с водородным конденсационно-сублимационным насосом, а через другой — с гелиевым криосорбционным насосом. В интервале давлений 760—45 Тор газ из камеры удаляется с помощью конденсационного насоса, работающего на жидком водороде. При р = 45 Тор сборник вместе с конденсированным в нем жидким воздухом отъединяется от камеры. В интервале давлений 45 —2•10-2 Тор откачка происходит за счет конденсации газов в твердую фазу на поверхности спирали водородного конденсационного насоса. Предельное давление 2•10-2 Тор определяется суммой парциальных давлений N2, Н2 и Не в воздухе, которые не откачиваются водородным конденсационным насосом. При р = 2• 10-2 Тор водородный конденсационный насос отключается и включается гелиевый криосорбционный насос. Перед его включением на поверхности шара, охлаждаемого жидким Не, конденсируются слои Аr при 4,2 К, которые затем поглощают Ne. Охлаждение криопанели до 20 К обеспечивает откачку Н2 и понижение давления до 6•10-11 Тор. При температуре криопанели 5 К происходит откачка Не, и давление в камере снижается до 10-13 Тор. Такая насосная система откачивает камеру объемом 800 л от атмосферного давления до 10-13 Тор за 2 ч, при этом расходуется 40 л жидкого N2, 20 л жидкого Н2 и 20 л жидкого Не.

Поскольку в настоящее время откачка криогенными насосами производится в широком диапазоне давлений, при теоретическом рассмотрении быстроты откачки необходимо различать режимы работы насоса в области больших давлений (вязкостные условия течения газа) и в области низких давлений (молекулярные условия течения газа). Метод расчета быстроты откачки криогенных насосов (встроенных и выносных) в вязкостном режиме течения изложен в работе [9]. Расчет эффективной быстроты откачки при молекулярном течении газа методом статистического моделирования для систем с бесконечными параллельными плоскостями, концентрическими сферами и цилиндрами приведен в работе [10].

Быстрота откачки криогенных насосов и их экономичность зависят также от конструкции криопанелей и экранов. Обычно охлаждаемые жидким Не рабочие элементы насосов (криопанели) защищены от источников теплового излучения экранами, охлаждаемыми жидким N2 и имеющими оптически непрозрачную конструкцию. Чаще всего криогенные насосы используются в вакуумных камерах цилиндрической или сферической формы. При этом, как правило, главный источник выделения газа и тепла находится в центральной части камеры. Газовые и тепловые потоки имеют радиальное направление в сторону стенок.

Существуют различные конфигурации экранов, охлаждаемых жидкими N2 и Не. Однако в системе со сферической или цилиндрической симметрией для получения высокого коэффициента захвата молекул газа криопанели, охлаждаемые жидким Не, не должны быть закрыты оптически непрозрачными экранами [11]. Например, в вакуумной цилиндрической камере радиусом 600 мм, имеющей коаксиально расположенный с нею цилиндрический источник газа и тепла радиусом 35 мм, в случае W -образной конфигурации экранов может быть получен коэффициент захвата ~0,6 (при отражении молекул от экранов по закону косинуса) или ~1 (при зеркальном отражении). Панели охлаждаются жидким Не и устанавливаются параллельно потокам (фиг. 2). Для уменьшения попадания лучистой энергии на гелиевые панели над каждой панелью имеется небольшой треугольный экран, ширина которого в 3,5 раза меньше расстояния между соседними панелями. Эти экраны охлаждаются жидким азотом. Такая конфигурация экранов и панелей позволяет увеличить коэффициент захвата в 2 раза по сравнению с ранее использовавшимися криопанелями с непрозрачными азотными экранами.

Предельное давление, получаемое с помощью криогенных насосов, зависит также от материала поверхности конденсации.

Так, при 3 К наименьшее рабочее давление обеспечивает поверхность, покрытая пленкой Ag [12]. При температуре защитной шевронной ловушки 78 К это давление составляет 10-14 Тор.