Хотя система подпитки жидким азотом и не входит непосредственно в состав вакуумной установки, она весьма важна для систем сверхвысокого вакуума, в которых используются криогенные ловушки или сорбционные насосы.

Падение уровня жидкого азота в любом из этих устройств ниже определенного минимального уровня может привести к размораживанию газа, находившегося в ловушке или насосе, и аварийной ситуации. Поэтому очень важно, чтобы уровень жидкого азота в соответствующих сосудах Дьюара автоматически поддерживался постоянным, особенно если доступ к вакуумной системе затруднен.

Работа такой системы подпитки основана на использовании соответствующих датчиков уровня, которые включают подачу жидкого азота по мере необходимости. Принцип действия системы подпитки практически одинаков для всех выпускаемых серийно устройств такого рода. В них используется принцип сифона (рис. 6.19).

Рис. 6.19. Система подпитки жидким азотом. 1— предохранительный клапан; 2 — блок управления; 3 — сепаратор; уровня жидкого азота. 4 — датчик

Если уровень N2 (ж.) в управляемом устройстве достаточный, то оба клапана (подпитки и предохранительный) в системе подпитки закрыты; при падении уровня клапан подпитки по сигналу датчика уровня открывается и под давлением самонаддува происходит перелив жидкого азота из подпиточного резервуара в соответствующее криогенное устройство (ловушку или насос). Обычно интенсивность испарения жидкого азота в подпиточном резервуаре достаточна для его самонаддува; в некоторых случаях предусматривается наддув сжатым воздухом1).

В ряде работ были описаны конструкции различных серийно выпускаемых подпиточных устройств. В одной из таких систем применен механический способ измерения уровня N2 (ж.) с помощью поплавкового датчика. При падении уровня жидкости ниже критического происходят замыкание контакта, связанного с поплавком, и включение реле, открывающего клапан подпитки. К недостаткам таких датчиков следует отнести их высокую чувствительность к вибрациям, а также необходимость в значительном свободном пространстве над уровнем азота. Работа датчика другой конструкции основана на явлении конденсации паров при их охлаждении. По существу этот датчик представляет собой газовый термометр. Для изготовления такого датчика трубку при комнатной температуре заполняют аргоном до давления в несколько атмосфер; при погружении герметизированной трубки в жидкий азот аргон конденсируется и в ней создается разрежение.

Такое устройство, снабженное поршнем, может управлять работой клапана подпитки с помощью механического или электромагнитного приводов. Датчик, представлял собой стеклянный капилляр с ртутью, спаянный с терморезервуаром, заполненным газом. В стеклянный капилляр впаяны два электрических контакта, которые замыкаются столбиком ртути в зависимости от температуры терморезервуара и соответственно уровня жидкого азота. Однако подобные системы могут использоваться только для поддержания заданного уровня жидкости.

Наиболее широко используемым датчиком уровня жидкого азота является термистор, имеющий компактные размеры и характеризующийся высоким температурным коэффициентом сопротивления. Обычно используются два термистора, которые располагаются друг под другом. При снижении уровня жидкого азота до минимума сопротивление нижнего термистора изменяется и клапан подпитки открывается до тех пор, пока уровень азота не поднимется до верхнего термистора, который подает сигнал на закрытие клапана.

Для надежной работы цепей управления следует использовать термисторы с высоким значением температурного коэффициента сопротивления (TKC) при 77 К. Обычно используются термисторы с отрицательным ТКС, однако в настоящее время выпускаются термисторы и с положительным температурным коэффициентом (позисторы). Пози-сторы с достаточно высоким TKC при температурах около 77 К не нуждаются в применении усилителей, что позволяет уменьшить время срабатывания всего устройства. Основной трудностью использования термистора в качестве датчика является получение значительного сигнала при изменении уровня N2 (ж.) относительно датчика. В некоторых случаях, например в криогенных ловушках, приток жидкого азота очень мал, поэтому температура газа над уровнем жидкого азота близка к 77 К

Ввиду этого, а также из-за постоянной времени самого терми-стора, срабатывание устройства может запаздывать на нескольких минут, что может привести к критической ситуации. Эту проблему удалось решить, установив вокруг термистора небольшой проволочный нагреватель, подводимая мощность к которому была весьма малой, но достаточной для обеспечения срабатывания термистора сразу же после прохождения через него уровня жидкого азота. Аналогичным образом может быть усовершенствовано и термосопротивление, для чего через платиновую катушку пропускают небольшой ток. Время срабатывания таких систем меньше нескольких секунд.

Используемые в системе подпитки клапаны должны быть приспособлены к работе в условиях низких температур, а трубопроводы теплоизолированы. С целью эффективной теплоизоляции вокруг трубопровода обычно помещают вакуумную рубашку. Но даже в этом случае на начальном этапе подачи жидкого азота происходит его частичное испарение вследствие отбора тепла от более теплых стенок трубопровода. В результате в сосуд Дьюара будет поступать криогенная смесь жидкости и газа, которая может приводить к нежелательным эффектам.

Поэтому на выходе подпиточного трубопровода устанавливают сепаратор, отделяющий жидкую фазу смеси от газовой. Сепаратор представляет собой камеру с двумя отверстиями для влива жидкого и выхода газообразного азота (см. рис. 6.19). С целью повышения безопасности работы устройства клапан подпитки помещают как можно ближе к заборному устройству резервуара с жидким азотом.

Кроме рассмотренных систем, работающих в автоматическом режиме, выпускаются также полуавтоматические, которые в течение заданного промежутка времени перекачивают определенное количество жидкого азота. Определяя экспериментальным путем продолжительность цикла подпитки, расход азота и время между циклами, можно установить требуемый режим работы. Кроме того, выпускаются системы, работающие только в ручном режиме.