1. Принцип вытяжки воздуха
Внутри крионасоса находится холодная пластина, охлаждаемая до очень низкой температуры жидким гелием или холодильником. Он конденсирует газ и удерживает давление паров конденсата ниже предельного давления насоса, чтобы достичь эффекта перекачки. Основными функциями низкотемпературной перекачки являются низкотемпературная конденсация, низкотемпературная адсорбция и низкотемпературное улавливание.
① Низкотемпературная конденсация: молекулы газа конденсируются на поверхности охлаждающей пластины или на слое конденсированного газа, а равновесное давление в основном равно давлению паров конденсата. При откачке воздуха температура охлаждающей пластины должна быть ниже 25К; при откачке водорода температура холодной пластины ниже. Толщина низкотемпературного конденсационного и экстракционно-конденсатного слоя может достигать около 10 мм.
②Низкотемпературная адсорбция: молекулы газа адсорбируются на поверхности адсорбента, нанесенного на охлаждающую пластину толщиной мономолекулярного слоя (порядка сантиметров). Равновесное давление для адсорбции намного ниже, чем давление пара при той же температуре. Если давление паров водорода равно атмосферному давлению при 20К, то равновесное давление адсорбции ниже Па при поглощении водорода активированным углем 20К. Это позволяет осуществлять откачку методом криогенной адсорбции при более высоких температурах.
③Криогенное улавливание: молекулы газа, которые не могут быть сконденсированы при температуре экстракции, закапываются и поглощаются растущим слоем конденсируемого газа.
Вообще говоря, предельным давлением насоса является давление паров сконденсированного газа при температуре охлаждающей плиты. При температуре 120К давление паров воды уже ниже Па. При температуре 20К, кроме гелия, неона и водорода, давления паров других газов также ниже Па.
Однако из-за разных температур перекачиваемого контейнера и криогенной охлаждающей плиты предельное давление насоса выше, чем давление паров конденсата. Для сосуда при комнатной температуре с криопанелью 20К предельное давление насоса примерно в 4 раза превышает давление паров конденсата.
2. Тип
Крионасосы делятся на два типа: крионасосы с жидким гелием инжекторного типа и крионасосы с газовым гелием в замкнутом контуре.
Инъекционный крионасос жидкого гелия
Он в основном состоит из контейнера с жидким гелием, корпуса насоса и полости для жидкого азота, соединенной с перегородкой. Чтобы уменьшить потребление жидкого гелия, внешняя стенка контейнера с жидким гелием имеет двухслойную теплоизоляционную стенку, между которой вакуумируется.
Когда насос предварительно накачивается до давления Па, впрыскиваются жидкий азот и жидкий гелий, и газ конденсируется на рабочей холодной пластине 4,2К. После предварительной накачки парциальное давление гелия и водорода составляет порядка Па, поэтому насос может получить предельное давление ниже Па. Если контейнер с жидким гелием откачать и сбросить давление до 6650 Па, может быть уменьшена до 2,3 К, и может быть получено более низкое предельное давление.
Крионасос для газового гелия замкнутого цикла
Это новый тип крионасоса, появившийся в 1970-х годах. Этот насос не потребляет гелий, прост в эксплуатации, прост в обслуживании и находит все большее применение. Охлаждающей средой холодильника является газообразный гелий, температура охлаждающей пластины первой ступени составляет 50-100 К, а типичное применение - 65 К, которое используется для конденсации водяного пара и предварительного охлаждения других газов; температура охлаждающей пластины второй ступени составляет 10-20К, которая используется для конденсации азота, таких газов, как кислород и аргон.
Внутренняя поверхность вторичной охлаждающей пластины покрыта активированным углем. Активированный уголь обладает сильной адсорбционной способностью для гелия, неона и водорода при низких температурах. Охлаждающая пластина изготовлена из бескислородной меди, а поверхность отполирована до зеркального блеска для снижения коэффициента излучения.
Предельное давление насоса составляет Па, диапазон рабочего давления составляет Па, а давление перед откачкой должно быть 1 Па. Скорость перекачки готового продукта достигла 60,000 литров в секунду. Кроме того, в соответствии с характеристиками процесса охлаждающая плита для отвода воздуха может быть размещена в контейнере с насосом, а скорость отвода воздуха может достигать более 106 литров в секунду.