Общие сведения по криоконденсационной откачке

Принцип действия криоконденсационного насоса. Физическая сущность откачивающего действия крионасосов основана на том, что равновесное давление газов над поверхностью твердого тела, охлажденного до низких температур, может быть доведено до очень малых значений, т. е. на способности охлажденных поверхностей конденсировать и удерживать на себе за счет сил межмолекулярного взаимодействия молекулы газов.

Принципиально процесс низкотемпературной откачки упрощенно может быть представлен следующим образом. Газ, находящийся в некотором сосуде, с позиций молекулярно-кинетической теории представляет собой множество молекул, хаотично движущихся прямолинейно во всех направлениях. При этом молекулы газа непрерывно сталкиваются между собой, а также со стенками сосуда. После каждого столкновения скорости и направления их движения изменяются. Если в сосуд поместить поверхность и охладить ее до низкой температуры, то молекулы газа, ударяясь о нее, будут терять часть своей кинетической энергии и конденсироваться на ней, образуя твердый слой «замороженных» молекул газа. В результате этого в объеме будет создаваться и поддерживаться разрежение (вакуум).

В реальных условиях эта упрощенная модель не отражает весь комплекс явлений, сопровождающих процесс криооткачки.

Теоретическое изучение явлений, происходящих на охлажденной поверхности, в процессе криооткачки усложняется тем, что они в свою очередь сопровождаются большим комплексом взаимосвязанных и трудноразделимых процессов: массотеплопереносом, фазовыми превращениями, непрерывным ростом криоосадка, формированием и постоянным изменением структуры и теплофизических свойств криосадка и др. Кроме того, приходится откачивать не однокомпонентный газ, а многокомпонентную газовую среду с различными теплофизическими свойствами.

Выяснение природы сил, удерживающих частицы газа на охлажденной поверхности, а также механизма кри-оконденсационного захвата молекул газов относится к числу одной из сложнейших проблем современной физики и является предметом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований.

При изучении физического процесса криооткачки основное внимание уделяется взаимодействию падающей на охлажденную поверхность молекулы с поверхностью конденсированной фазы.

Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электромагнитную, а также квантовомеханическую природу [1-1]. Опыты показывают, что межмолекулярные взаимодействия зависят от расстояния между молекулами. Действие этих сил проявляется на близких расстояниях (менее 10^-7 см).

Взаимодействие в микромире выражается двумя одновременно действующими силами: силами взаимного притяжения и отталкивания.

В основе процесса криооткачки лежат силы межмолекулярного притяжения, и этот процесс представляет собой фазовый переход первого рода, характеризуемый расслоением системы на две фазы «пар — твердое тело».

С термодинамической точки зрения криоконденса-ционная откачка представляет собой изобарно-изотермический процесс, который протекает самопроизвольно в направлении уменьшения свободной энергии системы «газ — твердый конденсат». В главе рассматриваются основные процессы, обеспечивающие криоконденса-ционную откачку.

Условия осуществления криоконденсационной откачки. Состояние вещества определяется давлением, температурой и объемом. При определенных условиях вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: газообразном, жидком или твердом (рис. 1-1). В газообразном состоянии молекулы, совер-тающие беспорядочное движение, заполняют весь объем. В жидкой фазе молекулы обладают ограниченной свободой движения и занимают не весь доступный объем, а лишь часть его. Наконец, в твердых кристаллических веществах каждый атом имеет фиксированное положение.

Физически криооткачка представляет собой конденсацию, т. е. фазовый переход первого рода, сопровождающийся скачкообразным изменением внутренней энергии и плотности. Фазовые переходы первого рода всегда связаны с выделением или поглощением тепла, называемого скрытой теплотой фазового перехода.

Для описания состояния вещества и условий, при которых происходят в нем фазовые превращения, пользуются диаграммами состояний, построенными в координатах «давление — температура» [1-2]. Общий вид такой диаграммы представлен на рис. 1-2. На диаграмме нанесены линии равновесного состояния фаз: линия ОВ соответствует равновесному состоянию парообразной и жидкой фаз; линия О А —равновесному состоянию жидкой и твердой фаз; линия СО — равновесному состоянию парообразной и твердой фаз. Эти линии разделяют плоскость диаграммы на три области: область / правее линии СОВ соответствует газо- или парообразному состоянию вещества; область II между линиями АО и ОВ соответствует жидкой фазе; область III левее линии СОА соответствует твердой фазе.

Точка В на диаграмме называется критической, которая характерна тем, что в области выше этой точки стирается различие между жидким и газообразным состоянием и при температуре выше критического значения вещество может находиться только в газообразном состоянии. Здесь следует обратить внимание на условную разницу понятий газ и пар. Вещество называется газом, если его температура выше критической, и паром, если температура вещества ниже критической. Условная граница между газом и паром обозначена линией BE. Точка О называется тройной точкой.

В состоянии, обозначенном эт,ой точкой, находятся в равновесии три фазы: газообразная, жидкая и твердая.

При соприкосновении двух фаз в условиях, отличающихся от равновесного состояния, происходит переход вещества из одной фазы в другую. Непосредственно из диаграммы состояний видно, что процесс криоконденсационной откачки, т. е. процесс превращения газа (пара) в твердое состояние, минуя жидкую фазу, будет происходить только в том случае, если давление газа в объеме будет ниже давления в тройной точке. На рис. 1-2 направление процесса криооткачки изображено линией de. В точке f будет происходить десублимация, т. е. превращение газа в твердое состояние.

Таким образом, первым условием криооткачки является осуществление фазового перехода, происходящего в области со значениями параметров ниже тройной точки. Поскольку критическая температура всегда выше температуры в тройной точке, то при криооткачке имеют дело уже не с газами, а с их парами. Параметры тройных точек для наиболее технически важных газов представлены на табл. 1-1 [1-3].

Другое условие осуществления криоконденсационной откачки состоит в том, что в процессе работы насоса на охлажденной поверхности в результате перехода газа в твердое состояние происходит постоянное выделение тепла, называемого теплотой конденсации. Поэтому для проведения этого процесса необходимо постоянно отводить теплоту конденсации и поддерживать температуру охлажденной поверхности на необходимом уровне.

Таблица 1-1

Критические температуры и параметры тройных точек некоторых веществ

Вещество	Критическая температура, К	Параметры тройных точек
		давление, Па	температура, К
Азот	126,3	1,24-104	63,2
Кислород	154,8	146	54,4
Водород	33,2	7,2.10з	13,9
Аргон	150,7	1,52-104	83,8
Неон	44,4	4,32-104	24,5
Криптон	209,4	7,68-104	115,9
Двуокись углерода	304,2	|“4,5.10з	216,6
Окись углерода	132,9	1,54.1С4	68,1
Метан	191,1	1,18-104	90,7
Вода	647,33	560	273,2

Конструктивная схема криоконденсационного насоса. Принципиальная конструктивная схема крионасоса, несмотря на все многообразие его выполнения, содержит, как правило, четыре основных конструктивных элемента: криопанель, теплозащитный экран, охлаждающее устройство и корпус [1-4].

Криопанель является основной (откачивающей) частью насоса и представляет собой поверхность (панель), охлажденную до криогенных температур. На криопанели осуществляется конденсация откачиваемых газов.

Теплозащитный экран обычно располагается между стенками корпуса и криопанелью и охлаждается до промежуточных температур между температурой стенки корпуса и температурой криопанели. Он служит для снижения тепловых нагрузок на криопанель. Иногда не применяют теплозащитных экранов. В этом случае резко возрастают тепловые нагрузки на криопанель и соответственно требуются более мощные охлаждающие устройства.

Система охлаждения служит для предварительного охлаждения криопанели от комнатной до рабочей температуры, а также для компенсации тепловых нагрузок на криопанель и поддержания криопанели на необходимом температурном уровне во время работы крионасоса.

Корпус предназначен для монтажа всех конструктивных элементов насоса. Иногда криопанель с теплозащитным экраном помещается непосредственно в вакуумную камеру, в этом случае корпус камеры является одновременно и корпусом насоса.

Принципиальная конструктивная схема насоса представлена на рис. 1-3. Плоская криопанель 1 окружена теплозащитным экраном 2. Передняя часть экрана выполнена в виде оптически непрозрачных жалюзи 3, обеспечивающих проход газа к криопанели и исключающих возможность прямого теплового излучения на криопанель с теплых стенок корпуса 4 насоса. Корпус насоса фланцем 6 крепится к откачиваемому объему 5. Фланец 8 предназначен для подсоединения форвакуумного насоса. С целью упрощения на принципиальной схеме не показана система охлаждения крионасоса, а также другие вспомогательные устройства, которыми обычно оснащаются реальные конструкции крионасосов. Пуск крионасоса, как правило, осуществляется в три этапа.

Вначале из полости насоса и откачиваемого объема удаляется основная масса газа обычно с помощью форвакуумных насосов. После достижения предварительного разрежения начинается охлаждение теплозащитного экрана. Наиболее часто оно осуществляется с помощью жидкого азота до температуры, равной 80— 100 К. Последний этап состоит в охлаждении криопанели обычно до температуры 20 К и ниже. Молекулы из откачиваемого объема поступают по направлению, указанному стрелками 9, к жалюзийному теплозащитному экрану 3, проникают через него и, достигнув криопанели /, конденсируются («вымораживаются») на ней в виде твердого слоя 7, называемого криоосадком.

Крионасосы, так же как .и другие виды вакуумных насосов, оцениваются двумя основными характеристиками: предельным остаточным давлением и быстротой действия.

В то же время величина предельного остаточного давления имеет значение только для крионасосов, используемых специально для создания наиболее низкого остаточного давления в откачиваемой системе, не имеющей больших газовыделений. Для крионасосов, работающих в области среднего и низкого вакуума, величина предельного вакуума не имеет особого значения, так как они в этом случае предназначаются в основном для удаления больших количеств газа из откачиваемых систем.

Теоретически достижимое криоконденсационным насосом предельное остаточное давление наглядно представлено на диаграмме состояния (рис. 1-2), где каждая точка, расположенная на кривой ОС равновесия системы «газ — криоосадок», будет характеризовать установившееся равновесное давление, называемое упругостью пара при данной температуре. Это и будет представлять собой теоретически достижимое остаточное предельное давление. Непосредственно из рис. 1-2 видно, что предельное остаточное давление однозначно зависит от температуры криопанели и при понижении температуры предельное давление понижается. Необходимо отметить, что практически предельное остаточное давление в объеме всегда несколько превышает значение упругости пара данного затвердевшего газа при соответствующей температуре криопанели. При помощи крионасосов могут быть достигнуты предельные остаточные давления порядка 10^-8 Па и ниже.

Быстрота действия является основной характеристикой при оценке крионасоса, так как во многих случаях практически бывает важно не достижение как можно более низкого давления, а поддержание необходимого давления в системе во время проведения некоторого вакуумно-технологического процесса, сопровождающегося большим газовыделением. Это условие возможно обеспечить лишь при определенной, иногда достаточно высокой, быстроте действия насоса.

Максимальное теоретическое значение быстроты действия достигается тогда, когда каждая молекула, попадающая на криопанель, «захватывается» ею, т. е. теоретическая быстрота откачки будет численно равна объему, соответствующему числу молекул газа, ударяющихся о поверхность криопанели в единицу времени.

Таким образом, быстрота действия крионасоса в основном определяется величиной площади криопанели. На практике действительная быстрота действия насоса бывает всегда ниже теоретической, так как не все молекулы, ударившиеся о криопанель, «захватываются» ею. К тому же реализации максимальной теоретической быстроты действия препятствуют жалюзийные теплозащитные экраны, оказывающие сопротивление течению откачиваемого газа к криопанели.