1. Основное уравнение криооткачки

Процессы, составляющие криооткачку, в области высокого вакуума характеризуются следующими особенностями:

• температура криопанели значительно ниже температуры тройной точки вымораживаемого газа;

• молекулы, движущиеся в направлении криопанели, не взаимодействуют между собой;

• пренебрегаем влиянием слоя конденсата (криоосадка), принимаем, что теплота фазового перехода полностью отводится к криопанели и при этом температура пристенного слоя криоосадка равна температуре криопанели.

Макроскопический анализ процесса криооткачки позволяет выделить три процесса: прямой процесс – конденсация молекул, обратные процессы – отражение и испарение ранее сконденсировавшихся молекул. На рис. 27.3 схематически изображены эти процессы.

N_з = N_п – (N_о + N_и ) , (3)

где N_з – число захваченных и удерживаемых молекул, N_п – число падающих на криопанель молекул, N_о – число отраженных молекул, N_и – число испарившихся молекул.

Выражение (3) является основным уравнением криооткачки.

Процессы, происходящие в крионасосе следует рассматривать с двух позиций.

Во-первых, необходимо рассмотреть статику криооткачки, чтобы определить величину предельного вакуума, достигаемого крионасосоам.

Во-вторых, необходимо рассмотреть кинетику криооткачки для определения быстроты откачки.

2. Статика криоконденсационной откачки

Рассмотрим статику криооткачки однокомпонентной газовой среды, заключенной в замкнутом сосуде. Давление в сосуде установится и будет равно давлению упругости паров данного газа при температуре стенки сосуда (Р_к), т.е. установится динамическое равновесие между прямым и обратными процессами:

N_п = N_о + N_и (4)

Рассмотрим динамическое равновесие в крионасосе. На рис.27.4 изображена схема элемента крионасоса. Теплозащитный экран можно рассматривать как источник молекул. Предположим, что коэффициент аккомодации молекул равен единице, т.е. молекулы, ударяющиеся о криопанель, приходят с ней в тепловое равновесие, а отраженные молекулы имеют распределение скоростей, соответствующее температуре отражающей поверхности.

Выделив единичную площадку, расположенную между криопанелью и источником молекул (экраном), можем записать условие равновесия аналогично (4):

N_к = N_э или

, (5)

где n_к – концентрация газа, находящегося в равновесии с конденсатом при T_к; n_э – концентрация газа при T_э; v_к и v_э среднеарифметические тепловые скорости молекул при Т_к и Т_э соответственно.

Из соотношений молекулярно-кинетической теории

, (6)

и с учетом равенства (5) получим

, (7)

где Р_э – упругость паров откачиваемого газа при Т_э , Р_к – упругость паров откачиваемого газа при Т_к.

Так как , то

(8)

Принимая давление в пространстве между криопанелью и экраном Р_о равным среднему значению, получим

(9)

Это то давление, которое покажет датчик (вакуумметр), установленный в объеме между экраном и криопанелью.