Адсорбированные молекулы газа образуют на поверхности мономолекулярный слой, после чего откачка практически прекращается. В условиях равновесия при температуре газа, равной температуре стенок, скорости адсорбции и десорбции одинаковы.

Поэтому предельное остаточное давление равно давлению насыщенных паров газа. При повышении давления сверх давления насыщенных паров происходит конденсация газа на поверхности с образованием полимолекулярного слоя (в виде жидкой или твердой фазы). Давление насыщенных паров определяется температурой, поэтому охлаждение стенок вакуумной камеры является еще одним средством откачивания. При температуре кипения жидкого азота (77 К) сильнее всего снижается давление паров воды (до значений, меньших 1O^-10 Па), а давление насыщенных паров N₂, O₂, СО и т. п. остается приблизительно равным атмосферному.

При снижении температуры до 20 К (точка кипения жидкого водорода) давления насыщенных паров указанных газов становятся ниже 1O^-6 Па. Только Ne, H2 и Не еще сохраняют довольно высокие давления насыщенных паров. При температуре кипения жидкого гелия (4 К) давление неона становится ниже 10^-10 Па, а водорода — порядка 10^-5 Па. Таким образом, охлаждая вакуумную систему до температуры жидкого гелия, можно создавать сверхвысокое разрежение практически по всем газам, входящим в состав атмосферного воздуха, кроме гелия и водорода. При более низких температурах, например 2,2 К, лишь давление паров гелия будет выше 10^-8 Па.

Получение вакуума путем конденсации газов называется криоконденсацией или криооткачкой.Охлаждение всей вакуумной системы до температур жидкого гелия затруднительно, поэтому криооткачку осуществляют либо путем охлаждения некоторого участка поверхности камеры, либо с помощью специального крионасоса, подсоединяемого к камере.

Следует отметить, однако, что в случае образования на криоповерхности сконденсированного слоя слишком большой толщины он может расслаиваться; кроме того, может возникать градиент температуры по толщине слоя, что в свою очередь может снизить эффективность откачки. Поэтому, ввиду конечной криоадсорбционной емкости, крионасосы используются совместно с насосами других типов, позволяющими создавать форвакуум 10 Па или ниже.

Тем не менее крионасосы имеют неоспоримые достоинства, такие, как высокая скорость откачки, отсутствие каких-либо загрязняющих примесей, высокая криоадсорбционная емкость, способность создавать разрежения ниже 10^-8 Па (при условии удаления гелия), а также легкость регенерации путем повышения температуры и откачивания адсорбированного газа форвакуумным насосом.

Крионасосы можно разделить на две группы: большие крионасосы, используемые в крупных вакуумных системах, например для моделирования условий космического пространства или для получения сверхвысокого вакуума в камерах ускорителей заряженных частиц, и малые крионасосы, используемые в небольших системах (объемом ~1 м³), для которых не допускаются какие-либо загрязняющие примеси.

В больших вакуумных системах обычно используются криопанели, охлаждаемые жидким гелием. Насосы этого типа обычно конструируются специально для конкретной вакуумной установки; для достижения максимальной скорости откачки в этих насосах стараются получить при заданных размерах наибольшую площадь поверхности. Ряд насосов такого типа описан в литературе.

Конструктивные схемы этих насосов построены по общему принципу. Поскольку скорость откачки определяется эффективной площадью криоповерхности или входного отверстия насоса, безразлично придавать поверхности пористую или шероховатую структуру. Поэтому криопанель обычно имеет гладку ю плоскую поверхность.

Рис. 3.18. Фланцевый наливной крионасос: 1 — соединительный фланец; 2 — шевронный отражатель; 3 — криоповерхность.

Вокруг криопанели, как правило, помещают охлаждаемый жидким азотом теплозащитный экран, проницаемый для газа, но отражающий тепловое излучение. Использование теплозащитного экрана снижает тепловую нагрузку на криопанель и тем самым уменьшает расход жидкого гелия. Кроме того, экран связывает легко конденсирующиеся газы и пары, такие, как СО₂ и H₂O. В работах описаны типичные конструкции фланцевых наливных крионасосов.

Криоповерхность насоса для уменьшения воздействия теплового излучения посеребрена. Насосы этой конструкции выпускаются двух типоразмеров: диаметром 800 и 320 мм, емкостью гелиевого резервуара 75 и 10 л соответственно. При использовании одинарного шевронного отражателя для большего насоса быстрота откачки по водороду составляла 30 м³*с^-1 и 4,5 м3*с^-1 для меньшего. Скорость откачки других газов была ниже. Такие насосы обеспечивают предельное остаточное давление 10^-11 Па.

Одним из важных параметров наливных крионасосов является расход жидкого гелия. Рассмотренные выше насосы за время их охлаждения (заполнения гелием) расходуют 5—10 л (большой) и 1—2 л (малый) жидкого гелия. На установившемся режиме работы насосов расход гелия в сутки составляет 1 и 0,25 л соответственно. В усовершенствованных современных конструкциях этот параметр уменьшен в 5 раз.

Обычно встроенные крионасосы конструируются таким образом, чтобы криоповерхность занимала как можно большую часть поверхности стенок камеры. Охлаждение конструкции до температур жидкого азота позволяет получать сверхвысокий вакуум без предварительного прогрева и тренировки установки»

В некоторых крионасосах предусмотрено охлаждение с помощью специальных холодильных машин — ожижителей с циркуляцией гелия по замкнутому контуру. Хотя отражатель шевронного типа обеспечивает наиболее эффективную теплозащиту, его использование заметно снижает скорость криооткачки. Поэтому были разработаны крионасосы открытой конструкции, которая обеспечивает более высокие скорости откачки, но при повышенном расходе жидкого гелия.

В качестве примера рассмотрим устройство крионасоса, сконструированного для откачивания инжекторной камеры термоядерного реактора JET Калхэмской лаборатории. Крионасос имеет модульную конструкцию. Каждый модуль длиной-6 м и шириной 0,35 м состоит из четырех криопанелей с охлаждаемыми жидким азотом теплозащитными экранами. Устройство одного такого модуля показано на рис. 3.19. Десять модулей соединяются между собой боковыми сторонами, образуя криоблок, два таких криоблока используются в каждой инжекторной камере (рис. 3.19, б). Быстрота откачки (по водороду) одного блока составляет около 5000 м3*с^-1, при этом на охлаждение гелиевых панелей требуется мощность ~40 Вт, а на охлаждение теплозащитных экранов ~ 10 кВт.

Рис. 3.19. Крионасос, используемый в термоядерном реакторе JET

1-поверхность, охлаждаемая жидким азотом; 2 - трубопроводы жидкого гелня; 3 - трубопровод газообразного гелия.

Высокая стоимость крионасоса, а также расходуемых криогенных жидкостей делает их использование нецелесообразным для вакуумных систем меньших размеров. Однако благодаря разработке в последние 20 лет небольших гелиевых холодильных машин (криогенераторов) с полезной мощностью (холодо-производительностью) в несколько ватт при охлаждении до 20 К, работающих по замкнутому циклу, стало возможным более широкое использование криооткачки. В первом устройстве этого типа  был применен двухконтурный криогенератор, работающий по циклу Стирлинга.

В первичном контуре, используемом для охлаждения теплозащитного экрана, достигалась температура 50—80 К. Вторичный контур, соединенный с крио-панелью, охлаждается до 20 К. Использованный авторами криогенератор представлял собой довольно примитивную конструкцию, которая в процессе работы создавала значительные шум и вибрацию. Впоследствии был достигнут значительный прогресс в повышении эффективности и миниатюризации криогенераторов; в частности, был разработан компактный и бесшумный криогенератор по циклу Стирлинга с хорошими эксплуатационными характеристиками. Наиболее существенный вклад в разработку современных небольших криогенераторов был сделан Гиффордом и Макмагоном.

Принцип действия криогенератора Гиффорда — Макмагона иллюстрирует рис. 3.20. Криогенератор состоит из трех основных частей: компрессора, регенератора (теплообменника) и рабочего цилиндра с поршнем и вытеснителем. В начале цикла сжатый газ (рабочее тело) поступает в цилиндр через клапан V1; при этом вытеснитель находится в нижнем положении, а клапан V2 закрыт. Затем закрывается клапан Vi и поршень поднимается, заставляя сжатый газ проходить через регенератор, где он сначала охлаждается, а затем поступает в нижнюю часть цилиндра. Клапан V2 открывается, позволяя газу расширяться, который при этом дополнительно охлаждается.

Затем поршень опускается, расширившийся газ сжимается компрессором, клапан V2 закрывается и весь цикл повторяется. В криогенераторах промышленного производства регенератор обычно совмещен с вытеснителем, а поршень в свою очередь приводится в действие рабочим телом. Кроме того, вторичный контур подсоединяется к той же самой охлаждаемой головке, что позволяет получать более низкие температуры и использовать первичный контур в качестве теплового экрана.

Главным различием криогенераторов Гиффорда — Макмаго-на и Стирлинга является то, что в первом компрессор отделен от охлаждаемой головки, тогда как в криогенераторе Стирлинга сжатие газа достигается движением рабочего поршня в про-тивофазе с вытеснительным1). Хотя эффективность криогенера-тора Стирлинга может быть более высокой, разделение комп-

рессора и охлаждаемой головки позволяет выполнять их более компактными, а также отделить главный источник вибраций от вакуумной системы. Конструкция типичного крионасоса показана на рис. 3.21. Тепловой экран охлаждается первичным контуром до — 77 К, а криопанель — вторичным до ~20К (температура, естественно, зависит от тепловой нагрузки на криопанель). Из рис. 3.17 видно, что такие газы, как неон, водород и гелий, при температуре 2OK откачиваются плохо, поэтому для повышения эффективности их откачки на обратную сторону криопанели обычно наносят слой пористого адсорбента, например активированного древесного угля.

Рис. 3.21. Типичный малый крионасос.

1 — трубопроводы гелия; 2 — фланец для подсоединения форвакуумного насоса; 3 — корпус; 4 — теплозащитный экран; 5 — чувствительный элемент водородного термометра; 6 — теплозащитный экран типа «жалюзи»; — вторичный контур охлаждения; 8 — криопанель; 9 — поверхность криопанели, покрытая активированным углем; 10 — первичный контур охлаждения; 11— водородный термометр; 12 — привод.

В заключение следует подчеркнуть, что метод криооткачки обладает значительными преимуществами по сравнению с другими методами получения сверхвысокого вакуума. Этот метод обеспечивает отсутствие каких-либо загрязнений, низкое предельное давление и высокую скорость откачки. Использование специально сконструированных крионасосов в больших вакуумных системах, которые сами по себе достаточно дороги, вполне оправданно. Такие насосы работают на гелии и обычно снабжены усовершенствованными системами сбора и регенерации газа. В последнее время разработаны компактные криогенераторы регенерационного типа, которые позволили распространить криооткачку на небольшие вакуумные системы и освоить промышленное производство крионасосов, удобных в установке и эксплуатации.