Особенности установок для моделирования условий космического пространства, страница 3

Очень эффективным технологическим способом, облегчающим получение сверхнизких давлений, является прогревание установок с целью усиленного газоотделения из отдельных частей установки. В этой связи установки бывают прогреваемые и непрогреваемые. Прогревание установок весьма эффективно при температурах ~450^оС. Прогреваемыми являются, как правило, малогабаритные и иногда среднегабаритные установки.

На рисунке 3.2.1. представлены зависимости скоростей газоотделения нержавеющей стали, прогретой и непрогретой, из которой обычно изготавливаются стенки установок, от продолжительности пребывания в вакууме. Как видно из рисунка, для прогретого материала эта скорость ниже чем для непрогретого.

Для крупногабаритных установок, являющихся в принципе непрогреваемыми, все же для облегчения газоотделения практикуется некоторое частичное прогревание установок при циклах отработки установок. При этом внутренние части установок прогреваются до температур ~100°С путем пропускания подогретого азота по трубкам криопанелей. Подобным же образом производится также быстрое отогревание установок при их остановках.

3.2.3. Механизмы криогенной откачки.

Криогенной откачкой (криооткачкой) называются способы получения вакуума (до сверхвысокого и экстремально высокого включительно) в результате процессов конденсации или адсорбции газов на поверхностях твердого тела, охлажденных до криогенных (<100 К) температур (эти поверхности называются криоповерхностями). С помощью криооткачки в настоящее время получают очень большие (~10⁸ л/сек) скорости откачки и чрезвычайно низкие (~10^-12 торр) давления.

Криооткачка объединяет три родственных способа: криоконденсацию, криосорбцию и криозахват. Указанные способы, как правило, используются не отдельно, а в комбинации друг с другом. Общим у них является то, что откачка происходит в результате соударения молекул откачиваемого газа с криоповерхностями, охлажденными до температур, соответствующих температурам кипения жидкого азота (T_s = 77…100 K), жидкого водорода (T_s ≈ 20 К) и жидкого (T_s ≈ 4,2…2,5 К) или “холодного” газообразного (T_s ≈ 10…20 K) гелия и протекания процессов конденсации, физадсорбции, хемосорбции и диффузии.

3.2.3.1. Криоконденсация.

Сущность этого способа заключается в образовании твердой или жидкой фазы откачиваемого вещества на криоповерхностях и, как следствие этого, в понижении парциальных (а также общего) давлений газов в откачиваемом объеме. Парциальные давления компонент остаточного газа определяются (при равновесных условиях) давлениями насыщенных паров откачиваемых веществ при соответствующих температурах криоповерхностей T_s.

Величина равновесного давления насыщенных паров p_s определяется уравнением Клайпейрона - Клаузиуса:

                                          (3.2.1.)

где α и β - постоянные;

T_s - температура криоповерхности.

Криоконденсация может эффективно применяться для откачки газов, равновесное давление насыщенных паров которых при температуре криоповерхности является более низким, чем требуемый вакуум (или T_s << T_b, где Т_b – температура кипения). Например, N₂ и О₂ могут быть эффективно откачаны конденсацией на криоповерхностях с температурой Т_s ≈ 20° К при давлениях в установке, больших чем ~10^-11 торр.

Для каждой температуры криоповерхности имеются свои определенные (так называемые “неконденсируемые”) газы, равновесное давление насыщенных паров которых выше заданного давления. Например, при температуре жидкого N₂ не конденсируются инертные газы (равновесное давление насыщенных паров ~10^-3 торр); при температуре жидкого H₂ - водород и гелий; при температуре жидкого Не - гелий и частично Н₂ (равновесное давление p_sне ≈ 10^-3 торр; .p_sН2 ~ 10^-7 торр).

Поэтому криооткачка до сверхнизких давлений с помощью криоконденсации обычно предполагает одновременное использование вспомогательной откачки “неконденсируемых” газов другими способами (паромасляными диффузионными насосами, криосорбционными насосами и т. п.). В некоторых системах криооткачки используется охлаждение криоповерхностей до T_s ≤ 2,5 K и более низких путем понижения давления над кипящим гелием. При этой температуре равновесное давление насыщенных паров Н₂ становится весьма низким (<10^-13 торр).