Мал. 4. Схема процесу кріовідкачування.

Якщо позначити через N_П - кількість падаючих на кріопанель молекул, N₀ - кількість відбитих молекул та N_В - кількість випарованих молекул, то кількість захоплених (відкачаних) молекул

, (1)

де кількість молекул віднесено до одиниці поверхні кріопанелі за одиницю часу.

Цей вираз є основним рівняннм кріовідкачки.

За умови

, (2)

тобто якщо не буде випаровування та відбиття падаючих на кріопанель молекул, всі вони будуть захоплені кріопанеллю. Цей випадок відповідає максимальній ефективності відкачки. Якщо ж

, (3)

тобто коли кількість падаючих на кріопанель молекул дорівнює кількості покидаючих кріопанель молекул, встановлюється динамічна рівновага, і швидкість відкачки буде дорівнювати нулеві.

Таким чином, різний ступінь ефективності кріовідкачки в реальних умовах буде знаходитися між цими двома граничними випадками.

. Кріоадсорбційні насоси

Кріоадсорбційний метод базується на сорбції газів твердим сорбентом, нанесеним на кріогенну поверхню (мал. 3, б). В кріоадсорбійних насосах важливо забезпечити добрий тепловий контакт сорбента з поверхнею та тепловий захист. Не слід також допускати забруднення кріонасосів газами, що легко конденсуються, через те, що це зменшує ймовірність захоплення водню, який важко видаляється з системи.

Як сорбенти, які наносяться на поверхню кріопанелей, як правило використовують активоване вугілля, цеоліти, силікагелі, окисні плівки металів. Кріопанель охолоджується до Т4 К за достатньо короткий час. Така низька температура кріоадсорбційних насосів дозволила відкачувати водень, неон та гелій. В зв’язку з цим граничний тиск, що досягається в вакуумній камері, на декілька порядків нижчий, ніж у випадку відкачки звичайними сорбційними насосами (p_гр10^-6 мм рт.ст.).

Конденсаційно-адсорбційні насоси

Конденсацийно-адсорбційний метод (мал. 3, в) являє собою подальший розвиток кріоадсорбційного методу. Він базується на застосуванні нового класу адсорбента у вигляді пористих шарів допоміжного газу, що легко конденсується. Як допоміжний газ використовують пару води, двоокис вуглецю, двоокис сірки, окис азоту, пару спирту, ацетону, бензину, аргон, азот і т.ін.

В цьому випадку вакуумну камеру з кріоповерхнею, оточеною тепловими екранами, попередньо відкачують форвакуумним насосом та високовакуумними насосами до найнижчого можливого тиску. Після від’єднання насоса від камери кріопанель охолоджують, в камеру вводять допоміжний газ, щоб на поверхні утворився шар конденсату.

Конденсація допоміжних газів та пари дозволяє отримувати пористі адсорбенти з чистою поверхнею. Використовуючи різні конденсати можна змінювати робочі параметри конденсаційно-адсорбційних насосів в широких межах (швидкість відкачки, строк служби, кількість газу, що поглинається).

Кріозахоплюючі насоси

Принцип дії кріозахоплюючого насоса полягає в поглинанні газів, що не конденсуються, при одночасній та постійній подачі на кріопанель газів, що легко конденсуються (мал. 3, г).

Кріозахоплення - це особливий випадок кріоадсорбції, який відбувається на постійно поновлюваній сорбційній поверхні. Справа в тому, що при одночасному попаданні на кріопанель молекул газів, що конденсуються та неконденсуються, останні краще утримуються на поверхні, ніж у випадку їх адсорбції при відсутності молекул газу, який конденсується. Прихід нової порції конденсату сприяє замуровуванню молекул водню, гелію, неону та інших.

При відкачці водню необхідний напуск великої кількості двоокису вуглецю (50 молей на 1 моль водню), що збільшує теплове навантаження на кріонасос, а отже, на холодильну установку. Явище кріозахоплення завжди супроводжує процес кріоконденсації багатокомпонентної суміші газів. Особливо підвищується роль кріозахоплення при відкачці водню в вакуумних системах, що не знегажуються, бо основним компонентом в суміші залишкових газів цих систем є пара води та двоокис вуглецю, які сприяють відкачці водню в результаті ефекту кріозахоплення.

Кріогетерні насоси

Принцип дії кріогетерного насоса базується на фізичному та хімічному зв’язуванні газів на поверхні та в об’ємі плівки хімічно активної речовини, що неперервно наноситься на кріопанель. Як правило, для цього використовується титан (мал. 3, д). Кріогетерні насоси мають питому ємність, приблизно в три рази більшу, ніж насоси, принцип роботи яких базується на сорбції плівками титану, нанесеними на поверхню при нормальній температурі. Справа в тому, що при низькій температурі міграція осаджуваних частинок гетера загальмована, і тому утворюється пориста плівка з добре розвиненою поверхнею. Крім того, при кріогенній відкачці не виділяються сторонні гази (наприклад, метан) і знижується рівноважний тиск газів, що легко конденсуються. Для роботи насосів цього типу достатня температура 60 - 80 К.

В наш час найбільшого поширення набули кріоконденсаційні та кріоадсорбційні насоси.

Принципова конструктивна схема кріонасоса, не дивлячись на різноманітність його виконання, містить, як правило, чотири основні конструктивні елементи: кріопанель, теплозахисний екран, охолоджуючий пристрій та корпус (мал. 5).