Криоадсорбционные насосы
Криоадсорбционные насосы
Криоадсорбционная откачка осуществляется путем адсорбции газов на охлажденных поверхностях — адсорбентах.
Принцип действия адсорбционных насосов основан на способности предварительно обезгаженных твердых пористых тел поглощать газы и пары благодаря адсорбции. В качестве поглощающих материалов (адсорбентов) могут применяться цеолиты, активированные древесные угли, силикагели.
Однако наибольшее распространение в качестве адсорбента получили цеолиты, представляющие собой алюминосиликаты щелочного или щелочноземельного металла природного или искусственного происхождения. Пористую структуру и очень хорошие адсорбирующие свойства они приобретают после прокаливания. Многочисленные поры образуют большую удельную площадь поверхности.
Для получения более низкого предельного давления адсорбент обычно охлаждается жидким азотом, водородом или гелием.
Недостатком адсорбентов является то, что они плохо поглощают инертные газы.
Криоадсорбционный насос погружного типа представлен на рисунке 18.
Адсорбент 1 помещается внутри пористого металлического фильтра 2. Нагреватель 3 служит для регенерации адсорбента после его насыщения откачиваемым газом. Криоагент 5 помещается в сосуд Дьюара 5. В качестве криоагентов используются сжиженные газы азота, неона, водорода и гелия.
Предельное остаточное давление, создаваемое криоадсорбционным насосом, после предварительного обезгаживания при температуре 420 К составляет порядка 10 -7 Па. Несмотря на относительную простоту конструкции, криоадсорбционные заливные насосы обладают существенными недостатками, состоящими в необходимости периодической заливки жидкого гелия и азота, трудностях автоматизации и контроле над наличием хладагентов, а также в необходимости транспортировать жидкий гелий и собирать дорогостоящий газ.
Количество адсорбированного газа должно составлять значительную часть газа в объеме вакуумной системы, что обычно наблюдается при температурах адсорбирующих поверхностей ниже температуры кипения газа Тк при атмосферном давлении.
Конечное давление при криоадсорбционной откачке можно определить как
Значения коэффициента адсорбируемости газа для разных адсорбентов представлены в Приложении, табл. 9.
Допустим, что к откачиваемому объему параллельно подключено n адсорбционных насосов, для каждого из которых и для всех вместе выполняются условия, указанные выше. В этом случае насосы работают последовательно: первый насос откачивает от атмосферного давления до давления рь затем отключается от вакуумной системы и подключается второй насос, который откачивает от р1 до P2, и т.д. При многоступенчатой откачке из n насосов достигается конечное давление:
Таким образом, криоадсорбционные насосы могут производить откачку с атмосферного давления до сравнительно низких давлений.
Современные модификации крионасосов являются самыми «чистыми» из всего семейства высоковакуумных насосов, применяющихся в настоящий момент. В крионасосах отсутствуют подвижные части, рабочие жидкости или другие рабочие элементы, способные загрязнить откачиваемый объем, что полностью исключает попадание каких-либо загрязнений в рабочую камеру во время откачки.
Для охлаждения специальных встроенных криопанелей до 10 К и 80 К, на которых и происходит осаждение молекул газа, в крионасосе используется система охлаждения замкнутого цикла с гелием в качестве рабочего газа. Молекулы откачиваемого газа, хаотически передвигаясь, контактируют с криопанелями и конденсируются или поглощаются на них.
При работе крионасоса гелий, находящийся при комнатной температуре и высоком давлении, нагнетается специальным удаленным компрессором в крионасос на охлажденную головку поршня, которая термически связана с двумя рядами конденсационных решеток. Гелий выбран в качестве рабочего газа, потому что при температурах 10 К и ниже он остается в газообразном состоянии.
Поступающий на головку поршня под давлением гелий затем расширяется и охлаждает решетки. Внешний ряд решеток охлаждается до 80 К и используется для конденсации паров воды, которые обычно являются основной газовой нагрузкой. Внутренний ряд конденсационных решеток охлаждается до температуры 15 К и предназначен для основной части оставшихся газов. Все конденсирующиеся газы переходят в твердое состояние с давлением паров менее 10-10 Па. Неконденсируемые газы, такие как гелий, водород и неон одновременно адсорбируется слоем из капсулированного активированного (древесного) угля, охлажденного до 15 К.
По существу современный крионасос состоит из трех независимых решеток, каждая из которых откачивает определенные типы газов с различными скоростями. При этом скорость откачки напрямую зависит от конструкции решетки.