Тепловая нагрузка крионасосов

Нагрузки теплового излучения также играют роль в конструкции и эксплуатации криовысо- ковакуумных насосов. Насосы обычно установлены на входе вакуумной камеры с тонким вакуумным затвором в отверстии. Вакуумная камера действует как большая оптическая поглощающая полость или «черное тело» при температуре стенки, если нет других тепловых нагрузок в камере. При комнатной температуре (295 К) тепловая нагрузка от инфракрасного излучения на впуске насоса составляет приблизительно 0,05 Вт/см² или приблизительно 16 Вт на стандартном насосе с диаметром 20 см (8 дюймов). При более горячих поверхностях камеры тепловая нагрузка повышается пропорционально 74(в Кельвинах). Это ограничивает эксплуатацию большинства крионасосов использованием при температурах стенки в пределах от 50 до 100 “С.

Большая часть тепловой нагрузки поглощается первой ступенью охладителя по мере того, как излучение попадает на впускной массив криопанелей насоса. Впускной массив криопанелей насоса имеет, как правило, никелевое покрытие для уменьшения поглощаемой тепловой нагрузки на насос во время процесса охлаждения, когда насос не содержит никаких газов. Как только насос проработает в течение нескольких часов или дней, на впускном массиве криопанелей образуется тонкий слой поглощающего инфракрасное излучение водяного льда. Некоторая часть теплового излучения проходит через или вокруг впускного массива криопанелей и попадает на черный экран теплового излучения, который также охлаждается первой ступенью охладителя приблизительно до 65-80 К. Поскольку охлаждающая способность первой ступени при 65 К, как правило, в три раза больше по сравнению со второй ступенью при 12 К, впускной массив криопанелей также служит в качестве экрана для массива второй ступени, предотвращая тепловую перегрузку низкотемпературных поверхностей.
Источники теплоты в вакуумной камере, в частности такие, как тепловые лампы и источники осаждения, добавляют дополнительные тепловые нагрузки крионасосу. Стенки вакуумной камеры из нержавеющей стали на 90% отражают инфракрасное излучение, в то время как отражательная способность алюминиевых поверхностей может приближаться к 98% при больших значениях длины оптических волн. Это позволяет излучению многократно отражаться откамеры при незначительном ослаблении. Инфракрасное излучение, невидимое человеческому глазу, оказывается в конечном итоге в «черной дыре» криогенного насоса. Следовательно, может быть необходимым уделить внимание тепловому экранированию источников теплоты в камере или на входе в крионасос. То, что этот процесс экранирования может быть эффективным, демонстрируется использованием криогенных насосов на вакуумных печах (рис. 7), где имеются горячие зоны, работающие при 2000 °С и выше.

Рис. 7. Крионасос диаметром 320 мм с 2000 литров аргонового льда и некоторым количеством водяного пара. (Фотография вакуумной печи с крионасосом предоставлена CTI-Cryogenics)

Переходная характеристика

Другая тепловая нагрузка на крионасос — это переходная нагрузка во время первоначального открытия вакуумного затвора в вакуумную камеру. Как правило, вакуумная камера откачивается насосом предварительного разрежения до 0,1 - 1 Торр, затем происходит открытие клапана высоковакуумного насоса. Внезапный впуск воздуха и водяного пара создает импульсную тепловую нагрузку на охлажденные поверхности насоса по мере конденсации газа, пропорциональную произведению давления в камере на ее объем. Давление в камере падает до 10^-5Торр или ниже за несколько секунд. Количество теплоты, отводимое от газа во время охлаждения, на мгновение превосходит способность охладителя поддерживать температуру. Теперь теплоемкость охлажденных частей определяет, насколько сильно будет повышаться температура. Переходная характеристика насоса, обычно выражаемая в Торр-л, является именно тем произведением давления камеры на объем газа, который может быть впущен в камеру без повышения температуры криопанелей второй ступени выше 20 К. Это условие гарантирует отсутствие выхода адсорбированного водорода в систему, следовательно, отсутствие роста давления вместо его снижения. Интересно, что продолжение использования крионасоса улучшает переходную характеристику, поскольку конденсированный газ нагрузки обладает собственной теплоемкостью. Например, 300 л аргона, конденсированные приблизительно в 375 см³ аргонового льда, имеют массу 535 г. Этот лед при 12 К имеет теплоемкость, сравнимую с теплоемкостью меди и нержавеющей стали деталей крионасоса при 12 К, что удваивает величину переходной характеристики.