Криоконденсационные вакуумные насосы

Физическая сущность откачивающего действия криоконденсационных насосов 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 охлаждаемых 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, движущихся хаотично 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 об 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).

Так, например, при откачке азота с производительностью 10^-2 м³·Па/с на площади 0,1 м² за время 10⁶с образуется слой конденсата (криоосадка) толщиной 1,5 мм. Дальнейшее повышение толщины конденсата при определенном тепловом потоке может повысить температуру над криоповерхностью и, следовательно, предельное давление в насосе, что ухудшает эффективность насоса.

При макроскопическом рассмотрении процесса криооткачки следует иметь в виду, что на поверхности криопанели (криоосадка) одновременно происходят как прямые процессы (конденсация молекул), так и обратные (упругое отражение и испарение ранее сконденсированных молекул). Суммарная скорость по величине равна разности скоростей прямого и обратного процессов. Соотношение между этими скоростями определяется тем, в какой мере данное состояние системы отличается от состояния равновесия.

На рис. 9.2 схематически изображены три процесса, сопутствующие криооткачке. Число молекул отнесено к единице поверхности криопанели в единицу времени определится как:

N_з = N_n – (N₀ + N_и),

где N_n – число падающих на криопанель молекул; N₀ – число отраженных молекул; N_и – число испарившихся молекул.

Условия осуществления криоконденсационной откачки:

§ осуществления фазового перехода пар – твердое вещество (криоосадок);

§ постоянный отвод тепла конденсации и поддержание температуры охлажденной поверхности на необходимом уровне.

Принципиальная конструктивная схема крионасоса, несмотря на все многообразие его выполнения, содержит, как правило, четыре основных конструктивных элемента: криопанель, теплозащитный экран, охлаждающее устройство и корпус.

Криопанель является основной (откачивающей) частью насоса и представляет собой поверхность (панель), охлажденную до криогенных температур. На криопанели осуществляется конденсация («вымораживание») откачиваемых газов. Криопанели в зависимости от конкретных условий выполняются в виде дисков, цилиндров, змеевиков, сложных систем ребер и т.п. Для криопанелей обычно выбираются материалы с хорошей теплопроводностью: медь, алюминий, реже – тонкостенная нержавеющая сталь.

Теплозащитный экран, выполненный, как правило, в виде жалюзийных решеток, 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. Температурный уровень криопанели является основным фактором, определяющим предельный вакуум.

Поверхности экранов обрабатывают так, чтобы тепловая нагрузка на криопанель была минимальной. Для уменьшения лучеиспускательной способности часто используют элекролитическое золочение или серебрение поверхности медных деталей. Относительная лучеиспускательная способность полированного алюминия находится приблизительно в тех же пределах (0,02…0,05), что и лучеиспускательная способность золоченой поверхности (0,014…0,04). Для создания поверхности с высокой лучеиспускательной способностью используют специальный черный краситель, который наносят на медную поверхность после обезжиривания. Относительная лучеиспускательная способность такой поверхности около 0,85.

Эффективность экрана характеризуется коэффициентом тепловой защиты ν и вероятностью пролета с_п молекул через экран.

Коэффициент тепловой защиты равен:

ν = Q₁/Q₂,

где Q₁ – поток тепла, падающий на криопанель, Вт; Q₂ – полный поток тепла, проходящий через входное сечение крионасоса, Вт.

Вероятность пролета с_п представляет собой отношение числа молекул, прошедших через теплозащитный экран N₁, к числу молекул, падающих на его поверхность, N₂:

с_п = N₁/ N₂.

Удельная проводимость экрана u_э связана с вероятностью пролета соотношением

u_э = с_п·s_т,

где s_т – теоретическое значение максимально возможной быстроты откачки на единицу площади отверстия.

Наиболее типичные конфигурации экранов и их расположение показаны на рис. 9.3. Для этих конфигураций экранов в таблице 9.1 приведены значения вероятности пролета молекул через них и коэффициента передаваемой на криопанель мощности излучения.

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. 9.4.

Таблица 9.1

Эффективность тепловой защиты криопанели

при различных конфигурациях экранов

Плоская кропанель 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 тепловых 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 крионасоса.

Пуск крионасоса, как правило, осуществляется в три этапа. Вначале из полости крионасоса и откачиваемого объема удаляется основная масса газа с помощью форвакуумного насоса. После достижения предварительного разряжения начинается охлаждение теплозащитного экрана, чаще всего с помощью жидкого азота до температуры 80…100 К. Последующий этап состоит в охлаждении криопанели до температуры 20 К и ниже. Молекулы из окачиваемого объема поступают по направлению, указанному стрелками 9, к жалюзийному теплозащитному экрану 3, проникают через него и, достигнув криопанели 1, конденсируются («вымораживаются») на ней в виде твердого слоя 7, называемого криоосадком.