Криогенные насосы

При температурах, близких к температурам жидкого водорода или гелия, большинство веществ имеет весьма низкую упругость паров (рис. 3.38). Так, например, при температуре, близкой к температуре жидкого водорода, давление насыщенных паров 02 составляет 10-13 мм рт. ст., N2 — 10-11 мм рт. ст., а Аr — 10-17 мм рт. ст.
При температурах, близких к температуре жидкого гелия, упругость насыщенного пара Н2 составляет 10-6 мм рт. ст., а Ne — 10-19 мм рт. ст.

Поверхность, заключенная в герметичный объем и ох­лажденная до температур, близких к температурам жидкого водорода или гелия, будет конденсировать почти все молеку­лы газа, попадающие на нее. Быстрота откачки и предельное давление в таком герметичном объеме могут быть определе­ны из общих соображений кинетической теории

где р1 — давление газа при температуре Т1 неохлаждаемой части стенки, мм рт. ст.; р2 — давление насыщенного пара при температуре Т2 охлаждаемой части стенки, мм рт. ст.; М — молекулярный вес газа; αк — доля конденсирующихся молекул; αИ — доля молекул, испаряющихся с 1 см2 не­охлаждаемой части за 1 с.
Предельное давление рост определяется как давление, при котором S=0:

Эта зависимость представлена графиком на рис. 3.39. Как видно из кривой, при давлениях р1 » рост S практически не зависит от давления и приближенно равно S0. Для воздуха при 20 °С эта величина составляет 11,6 л/см2 • с. Таким обра­зом, каждый квадратный сантиметр охлажденной поверхно­сти теоретически обеспечивает откачку воздуха со скорос­тью 11,6 л/с, хотя быстрота откачки разных компонентов воздуха отличается одна от другой. Практически даже при температуре жидкого водорода ряд газов сохраняют еще дос­таточно высокую упругость насыщенного пара и не откачи­ваются.

Рис. 3.38. Зависимость давления различных газов и паров от темпе­ратуры

Рис. 3.39. Зависимость быстроты откачки S от отношения р1/рОСТ

Принципиально конструкция криогенного насоса доволь­но проста. Это сосуд с большим отношением поверхности к объему и двойными стенками, между которыми находится крио­генная жидкость, или простым жестяным кожухом с напаян­ным змеевиком, через который протекает криогенная жидкость. Эта жидкость по мере испарения непрерывно пополняется.
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 гелием (при темпера­туре 4 К) помещается в азот (при температуре 77 К) (рис. 3.40). Обычно пары гелия (ввиду его высокой цены) собирают в ре­зервуары, а затем сжимают и конденсируют. Таким образом, жидкий гелий почти целиком восстанавливается, большие его потери имеют место лишь вследствие утечек. 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 двух-оболочного 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 рис. 3.41 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

Рис. 3.40. Схема криогенного ге­лиевого насоса с экраном на жидком азоте

Рис. 3.41. Криогенный гелиевый насос с азотным экраном:
1 — резервуар жидкого гелия; 2 — оболочка; 3 — цилиндричес­кий переходник с высокой теплопроводимостью; 4 — резервуар жидкого азота; 5 — фланцы; 6 — датчик уровня гелия; 7 — выход датчика

Оболочка 2 имеет температуру, близкую к температуре жидкого азота, и защищает резервуар с гелием от теплового излучения окружающей среды (стенок вакуумируемой сис­темы). Такие насосы находят широкое применение в ваку­умных камерах для исследовательских целей.
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 2,3 К). 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—680 К). Скорости откачки воздуха и водорода для более мощного насоса достигают соответствен­но 5000 и 10 000 л • с-1 при расходе гелия 60 см3 • ч-1. При этом предельное давление составляет ~10-11 мм рт. ст. (при начальном давлении 10-2 мм рт. ст.).
Современные криогенные насосы не требуют заливки жидкого гелия и азота. Они имеют встроенный автономный ожижитель газов, выступающих в качестве хладагентов. При­мер такой конструкции показан на рис. 3.42. Конструкция насоса содержит две ступени откачки. Первая состоит из ох­лаждаемого фланца 9, который охлаждает присоединенные к нему термический экран 5 и экран-дефлектор 6.
В зависимости от типа насоса и условий эксплуатации на них достигается температура в диапазоне 45—80 К. Водяные пары при этой температуре, естественно, конденсируются. Термический экран и дефлектор изготавливаются из меди, материала с большой теплопроводимостью. Кроме того, тер­мический экран сконструирован так, чтобы минимизировать потери на отражение.
Вторая ступень охладителя 7 для увеличения площади соединена с криопанелью. В зависимости от условий эксп­луатации достигается температура в пределах 10—20 К. При этой температуре конденсируется N2, О2, Аr. Криопанели как активно откачивающие поверхности также изготавливаются из меди и имеют хороший термический контакт со второй ступенью охладителя. Для лучшей откачки на криопанели нанесен активированный уголь. Насос поставляется в отка­чанном состоянии.

Рис. 3.42. Пример выполнения современного криогенного насоса:
1 — высоковакуумный фланец; 2 — корпус насоса; 3 — фланец для предварительной откачки; 
4 — предохранительный вентиль; 5 — термический экран; 6 — экран-дефлектор; 7 — вторая сту­пень охладителя; 8 — криопанели; 9 — первая ступень охладите­ля; 10 — подсоединение газообразного гелия; 
11 — автономный ожижитель гелия