Мал. 5. Принципова схема кріонасоса: 1 – кріопанель; 2 – екран; 3 – жалюзійна частина екрану; 4 – корпус; 5 – фланеці камери;

6 – фланець насоса; 7 – кріоосадок; 8 – форвакуумний фланець.

Кріопанель є основною частиною насоса, що відкачує і є поверхнею, яка охолоджується до кріогенних температур. Кріопанелі виготовляють у вигляді дисків, циліндрів, змійовиків і т.ін.

Кріовідкачка - процес ендотермічний, бо під час роботи насоса на охолодженій поверхні внаслідок переходу газу в конденсований (зв’язаний) стан відбувається постійне виділення теплоти конденсації. Тому обов’язковою умовою здійснення цього процесу є постійне відведення теплоти конденсації та підтримання температури кріопанелі на належному рівні. Крім того, необхідно відводити теплову енергію випромінювання з теплих поверхонь насоса на кріопанель.

Теплозахисний екран, виконаний, як правило, у вигляді жалюзійних граток, встановлюють між стінками корпусу та кріопанеллю і охолоджують до температур, проміжних між температурою стінки корпусу та температурою кріопанелі. Якщо теплозахисні екрани непердбачені конструкцією, теплові навантаження на кріопанель різко зростають і стають необхідні більш потужні охолоджувальні пристрої.

Система охолодження потрібна для попереднього охолодження кріопанелі від нормальної температури до робочої, а також для компенсації теплових навантажень на кріопанель та підтримання температури кріопанелі під час роботи насоса на належному рівні.

В прямій видимості від кріопанелі не повинні знаходитися джерела тепла, наприклад, датчики з розжарюваним катодом.

Корпус насоса потрібен для монтажу всіх конструктивних елементів насоса. Іноді кріопанель з теплозахисним екраном розміщують безпосередньо в вакуумній камері, в цьому випадку корпус камери є одночасно і корпусом насоса.

Класифікація кріонасосів

Кріонасоси класифікують за наступними основними ознаками: принципом дії, температурним рівнем кріопанелі, швидкістю дії, способом охолодження кріопанелі та конструктивною схемою (мал. 6).

Мал. 6. Класифікація кріонасосів.

Температурний рівень є основним фактором, який визначає тиск парів відкачуваних газів, а отже й граничний вакуум, створюваний насосом. За температурним рівнем кріонасоси поділяються на чотири групи у відповідності з температурами кипіння азоту (77 К), неону (21.7 К), водню (20 К) та гелію (4.2 К) при атмосферному тиску.

Швидкість відкачки в основному визначається розмірами кріопанелі, а отже, і енергозатратами на її охолодження. За швидкістю дії кріонасоси умовно поділяються на три групи: малі - з швидкістю дії S<10³ м³/с, середні - з швидкістю дії 10 - 50 м³/с, великі - з швидкістю дії S>50 дм³/с.

Найбільш поширеними є середні насоси.

За конструктивною схемою кріонасоси поділяються на фланцеві та вбудовані.

За способом охолодження кріонасоси діляться на охолоджувані зрідженими газами та за допомогою автономних газових холодильних машин.

Конструктивне оформлення та експлуатаційні особливості насосів залежать від способу охолодження кріопанелей. За цією ознакою всі кріонасоси поділяються на чотири основні групи: наливні, випарні, з автономними зріджувачами, з газовими холодильними машинами (кріогенераторами).

Способи охолодження кріонасосів

Найпростішим способом охолодження кріонасосів є охолодження рідким кріоагентом, який наливається в посудину, зовнішня поверхня якого є кріопанеллю. Наливні насоси виконані по типу кріостатів, тому відрізняються простотою конструкції. Вони не вимагають підключення до електромережі, водогону або мережі стиснутого повітря, в них немає рухомих деталей. Ці насоси легко прогріваються, тому їх застосовують в високовакуумних системах. Як кріоагенти використовуються зріджені гази: азот, неон, водень або гелій, підтримуючи температуру кріопанелі відповідно на рівні 77.3, 27.2, 20.4, 4.2 К.

Не дивлячись на досить високу вартість зрідженого гелію, йому надають перевагу, порівняно з рідким воднем, оскільки останній є вибухонебезпечним. Перевагою зрідженого гелію є низька температура кипіння, а недоліком є досить мала теплота пароутворення, а отже, необхідність ефективного захисту від притоку тепла до кріопанелі.

На мал. 7 представлена конструкція наливного кріонасоса. Насос характеризується малими витратами зрідженого гелію і може тривалий час працювати без його доливання.

Основною частиною насоса є елемент, що відкачує, зібраний на фланці 2, за допомогою якого він приєднується до корпусу насоса 1. Елемент, що відкачує, складається з гелійової посудини 9 та азотного екрану 7 з шевроном 11 та діафрагмою 10. Зовнішні поверхні гелійової посудини та азотного екрану, які виготовлені з міді, ретельно відполіровані, відполірована також верхня частина азотного екрану, включаючи діафрагму 10 та шеврон 11, почорнена електрохімічним способом й ефективно захищає гелійову посудину від теплової радіації стінок, які знаходяться при кімнатній температурі.