Лекция №10

10.1. Конструкция криоконденсационных насосов

На рис. 10.1 представлены конструкции криоконденсационных насосов следующих типов:

• заливного типа, (а);

• испарительного типа, (б);

• с автономным криогенератором, (в).

В полость 2 заливается низкотемпературный криоагент (гелий, водород), а в полость 3 – «высокотемпературный» азот (рис. 10.1,а). Экраны 1 защищают поверхность сосуда с низкотемпературным криоагентом от излучения стенок насоса, не препятствуя проникновению откачиваемого газа к охлаждаемой поверхности. Очень часто в криоконденсационных насосах используется адсорбционный способ поглощения неконденсируемых газов, для чего поверхность полости 2 покрывается адсорбентом в виде пористой оксидной пленки.

Заливные насосы не требуют подсоединения к электросети, водопроводу или к сети сжатого воздуха, а также их можно легко прогревать.

Недостатки насосов этого типа заключаются в следующем:

• необходимости оснащения системой сбора испарившегося рабочего газа;

• потере холода с оставшимся в сосуде после окончания работы сжиженным газом;

• больших расходах криоагентов, необходимых во время запуска насоса для охлаждения криопанелей и экранов от комнатной до рабочих температур;

• необходимости установки насоса только в вертикальном положении;

• трудности получения и поддержания температуры выше или ниже точки кипения хладоагента.

Кроме того, имеют место потери криоагентов при хранении в сосудах Дьюара, не связанные непосредственно с работой насоса.

Криопанель сделана в виде змеевиков, по которым циркулируют пары криоагента, испаряющиеся из сосуда Дьюара (рис. 10.1,б). Циркуляция может создаваться либо за счет создания избыточного давления в сосуде Дьюара, либо за счет всасывающего действия механического вакуумного насоса. Эти способы питания насоса криоагентом дают возможность легко регулировать температуру криопанели в широком диапазоне как выше, так и ниже нормальной температуры кипения криоагента, что обеспечивает более экономичное его расходование. Испаряющийся в криопанели 1 криоагент используется для охлаждения внешнего экрана 2, защищающего криопанель 1 от излучения стенок насоса.

Таким образом, насосы испарительного типа имеют по сравнению с заливными насосами следующие преимущества:

• возможность автоматического регулирования температуры;

• легко отогревается, так как в криопанели после окончания работы нет жидких криоагентов;

• возможность варьирования пространственного положения криопанели.

В насосах с автономным криогенератором криопанель охлаждается от автономной газовой машины 2, а экран 3 служит для уменьшения теплопритока к криопанели (рис 10.1,в).

Крионасосы этого типа по сравнению с насосами заливного и испарительного типа необходимо обеспечение электроэнергией и водой. Насосы этого типа экономичней, так как здесь холод используется непосредственно в месте его получения.

10.2. Другие типы сорбционных вакуумных насосов

Как уже упоминалось к этому типу, кроме криоадсорбционных насосов относятся адсорбционные, испарительные геттерные, геттерные электродуговые, ионно-геттерные, магнитные.

Адсорбционный насос

Принцип действия адсорбционных насосов основан на способности предварительно обезгаженных твердых пористых тел поглощать газы и пары в основном за счет физической адсорбции.

Адсорбционные насосы нашли применение в системах безмасляной откачки как для создания предварительного разрежения, так и для получения или поддержания весьма низких давлений в высоковакуумных камерах.

Наибольшее распространение в качестве адсорбентов получили цеолиты. Пористую структуру и очень хорошие адсорбирующие свойства цеолиты приобретают после прокаливания.

В вакуумных адсорбционных насосах адсорбент обычно охлаждается жидким азотом и, реже, жидкими водородом или гелием.

Устройство адсорбционного насоса показано на рис.10.2. В цилиндрический корпус 3, изготовленный из нержавеющей стали, вставлена перфорированная трубка 2. Кольцевое пространство между трубкой и корпусом заполнено цеолитом 1. Для охлаждения адсорбента на насос снизу надевается сосуд Дьюара, в который заливают жидкий азот. После окончания откачки кран на входе насоса закрывается, сосуд Дьюара снимают, и насос отогревается до комнатной температуры. При этом вследствие обратного выделения газа из цеолита давление в объеме насоса может превысить атмосферное. В связи с этим в верхней части насоса предусмотрен клапан (пробка) 4, предохраняющий насос от разрушения при выделении газа из адсорбента.

С целью получения низких предельных остаточных давлений рекомендуется предварительная откачка объема до давления 10⁴ Па водоструйным или механическим насосом. Иногда в качестве насоса предварительного разрежения используют также другой адсорбционный насос.

Испарительные геттерные насосы Испарительные геттерные насосы относятся к сорбционным насосам, в которых поглощение газов осуществляется за счет физической адсорбции, хемосорбции (поглощение вещества поверхностью в результате образования химической связи между молекулами вещества и хемсорбента), химических реакций и растворения в пленке металлического геттера, наносимого методом термического испарения. В качестве геттера в таких насосах применяется в основном титан. Титан образует прочные нелетучие газы или твердые растворы почти со всеми газами, имеющимися в вакуумных системах, за исключением инертных газов и углеводородов. Отличие в механизме поглощения различных газов приводит к тому, что быстрота действия испарительных геттерных насосов по разным причинам неодинакова.

Быстрота действия насоса м³/с может быть определена по формуле

,

где – коэффициент прилипания (≤1); р_ост – остаточное давление насоса, Па; р_н – давление во входном сечении насоса, Па;

Т – температура газа, К; М – молекулярная масса газа, кг/кмоль; А – площадь входного сечения, м².

В насосах постоянно обновляемая пленка геттера непрерывно поддерживается в активном состоянии, поэтому предельное остаточное давление насоса определяется газовыделением из распыляемого геттера и элементов конструкции насоса. Коэффициент зависит от скорости возобновления пленки геттера и его температуры.

Чем больше площадь, на которую наносится пленка геттера, тем эффективнее работает насос. На поверхности титановой пленки при комнатной температуре происходит реакция синтеза СН₄, образующихся в системе углерода и водорода.

При охлаждении титановой пленки до температуры жидкого азота скорость реакции синтеза метана резко уменьшается, а быстрота действия насоса по активным газам увеличивается из-за увеличения их коэффициента прилипания. Коэффициенты прилипания для чистых пленок титана при комнатной температуре составляют 0,4…0,5 для N₂; 0,6…0,7 для О₂ и СО и примерно 0,05 для Н₂. При охлаждении пленки жидким азотом коэффициент прилипания увеличивается до 0,9…1,0 для N₂, О₂ и СО и до 0,4…0,5 для Н₂.

Схема сверхвакуумного геттерного агрегата (рис. 10.3), состоящего из геттерного насоса 1, азотной ловушки 4 и паромасляного насоса 5. В геттерном насосе титан конденсируется на внутренней стенке цилиндрического экрана 6, охлаждаемого жидким азотом, подаваемого из сосуда Дьюара 2. Испаритель титана 3 содержит запас титановой проволоки и механизм ее периодической подачи. Испарение титана происходит за счет разогрева титановой проволоки электронной бомбандировкой от имеющейся в испарителе электронной пушки. Такой способ нагрева обеспечивает значительную скорость испарения титана при минимальном тепловом излучении, что определяет сравнительно небольшой расход азота (≈ 5 л/ч). Небольшой экран, установленный над испарителем, практически исключает попадание титана в откачиваемый объем.

Предельное остаточное давление агрегата составляет 10^-10 Па, быстрота действия по водороду 28000 л/с, по азоту 10000 л/с в диапазоне давлений

10^-4…10^-8 Па. Такая разница в быстроте действия объясняется более высокой проводимостью входного патрубка по водороду, чем по азоту.

В некоторых вакуумных установках (для исследования термоядерных реакций, имитации космических условий и. т.д.) титан конденсируется на охлаждаемые жидким азотом экраны, установленные непосредственно внутри рабочей камеры, причем рабочая зона камеры экранирована от попадания паров титана. При этом достигается высокая быстрота действия ( до сотен тысяч л/с) и предельное остаточное давление до 10^-10…10^-11 Па.

Геттерные электродуговые насосы

На рис. 10.4. приведена одна из конструкций геттерного электродугового насоса.

В корпусе 1, являющимся анодом системы, размещены катод 2 и поджигающее устройство 3, собранные на одном общем фланце 4. Катод 2 представляет собой титановый диск, который крепится к медному основанию 5, охлаждаемому водой. Боковые поверхности основания 5, титанового диска 2 и электрического силового ввода 6 закрыты металлическим экраном 7, предотвращающим возникновение дуги между поверхностями этих деталей и корпусом насоса – анода. В экране 7 предусмотрен вырез для подвода поджигающего электрода 8.

Питание дуги осуществляется от источника постоянного тока. Возбуждение дуги производится кратковременным закорачиванием катода с поджигающим электродом. Для этого подают напряжение на электромагнит 9, который подводит электрод 8 к катоду 2. В момент отвода электрода 8 возвратной пружиной между катодом 2 и анодом – корпусом насоса возникает устойчивая электрическая дуга.

Скорость испарения титана при этом достигает 15…17 г/ч. При испарении титана на стенках насоса образуется свежий активный слой, на поверхности которого и происходит контактное поглощение активных газов в результате физической адсорбции, хемосорбции, а также химических реакций и растворения газов в пленке титана.

Для откачки инертных газов к нижнему фланцу насоса через водоохлаждаемую ловушку 10 присоединяется паромасляный диффузионный насос.

Верхним фланцем, в сечении которого установлен отражательный экран 11, насос подсоединяется к откачиваемому объему. Назначением экрана 11 является предотвращение попадания испаряющегося титана во внутреннюю полость откачиваемого объема.

Быстрота действия геттерных электродуговых насосов может достигать 10⁴…10⁵ л/с и более. Предельное остаточное давление насоса составляет 10^-5 Па при откачке инертных газов каким-либо дополнительным насосом и (5…2)·10^-4Па, если такая откачка не предусматривается.