Мал. 2. Загальний вигляд діаграми стану речовини.

На діаграмі нанесені лінії рівноважного стану фаз: лінія ОВ відповідає рівноважному стану пароподібної та рідинної фаз; лінія ОА - рівноважному стану рідинної та твердої фаз; лінія СО - рівноважному стану пароподібної та твердої фаз. Ці лінії розділяють площину діаграми на три області: область І правіше лінії СОВ відповідає газо- або пароподібному стану речовини; область ІІ між лініями АО та ОВ відповідає рідинній фазі; область ІІІ лівіше лінії СОА відповідає твердій фазі.

Точка В на діаграмі називається критичною і характерна тим, що в області вище цієї точки зникає різниця між рідинним та газоподібним станом і при температурі вище критичного значення речовина може знаходитися лише в газоподібному стані. Тут слід звернути увагу на умовну різницю понять газ та пара. Речовина називаєтся газом, якщо його температура вище критичної, та парою, якщо температура речовини нижче критичної. Умовна границя між газом та парою позначена лінією ВЕ. Точка О називається потрійною точкою. В стані, позначеному цією точкою, знаходяться в рівновазі всі три фази: газоподібна, рідинна і тверда.

При стиканні двох фаз в умовах, що відрізняються від рівноважних, відбувається перехід речовини з однієї фази в іншу. Безпосередньо з діаграми станів видно, що процес кріоконденсаційної відкачки, тобто процес перетворення газу (пари) в тверде тіло, проминувши рідинну фазу, буде відбуватися тільки в тому випадку, коли тиск газу (пари) в об’ємі буде нижчим за тиск в потрійній точці. На малюнку напрямок процесу кріовідкачки зображено лінією de. В точці f буде відбуватися десублімація, тобто перетворення газу в тверде тіло.

Таким чином, першою умовою кріовідкачки є здійснення фазового переходу, який відбувається в області зі значеннями параметрів нижче потрійної точки. Оскільки критична температура завжди вища температури в потрійній точці, то при кріовідкачці мають справу вже не з газами, а з їх парами.

Друга умова здійснення кріоконденсаційної відкачки полягає в тому, що в процесі роботи насоса на охолодженій поверхні в результаті переходу газу в твердий стан відбувається постійне виділення тепла, яке називається теплотою конденсації. Тому для проведення цього процесу необхідно відводити теплоту конденсації та підтримувати температуру охолодженої поверхні на належному рівні.

Принцип дії кріогенних насосів

Дія кріогенних насосів (кріонасосів) базується на фізичних явищах, які відбуваються при низьких температурах.

А саме:

1. конденсація газів на охолоджуваних металевих поверхнях (кріоконденсаційні насоси);

2. адсорбція газів на твердих охолоджуваних адсорбентах (кріоадсорбційні насоси);

3. адсорбція газів на шарі попередньо зконденсованого допоміжного газу, який легко конденсується (конденсаційно-адсорбційні насоси);

4. спільна одночасна конденсація відкачуваного газу і допоміжного газу, що легко конденсується (кріозахоплюючі насоси);

5. поглинання газів плівками гетера, що осаджується на кріопанель насоса (кріогетерні насоси).

Кріоконденсаційні насоси

Найбільш простим є метод кріоконденсації, який базується на конденсації газів на металевих поверхнях, охолоджених до температури 20 К і нижче. Охолоджена поверхня працює як насос для газів, що конденсуються за даних температур. Схематично принцип кріоконденсаційної відкачки показано на мал. 3, а. При цих температурах рівноважна пружність пари відкачуваних речовин (вони ж стали твердими тілами) набагато нижча того тиску, який потрібно одержати у відкачуваній системі; тобто кріоконденсаційна відкачка можлива лише за умови, що тиск відкачуваного газу в вакуумній системі вищий за тиск його насиченої пари в насосі. Якщо мова йде про відкачку N₂, O₂, Ar або СО, то температури T_К=20.4 К (зріджений водень) досить, щоб парціальний тик цих газів у вакуумній системі не перевищував 10^-10 мм рт.ст.

Мал. 3. Схема процесу відкачування:

а – кріоконденсаційного; б – кріоадсорбційного; в - конденсаційно-адсорбційного;

г – кріозахоплюючого; д – кріогетерного (1 – кріопанель; 2 – відкачані молекули; 3 – вільні молекули;

4 – твердій адсорбент; 5 – сконденсований допоміжний газ; 6 – частинки гетера; 7 – хемосорбовані молекули; 8 – адсорбовані молекули).

Але температура зрідженого водню не є достатньою для конденсациї таких газів, як неон, водень, гелій. Тому в водневих конденсаційних насосах використовується попередня відкачка традиційними засобами до можливого низького тиску (найчастіше до 10^-6 мм рт.ст.). За цих умов сума парціальних тисків газів, які не конденсуються при T_К=20.4 К падає від декількох сотиз мм рт.ст. (при атмосферному тиску) до 10^-10 мм рт.ст. Якщо замість зрідженого водню використати зріджений гелій при T_К=4.2 К, то пружність пари водню без відкачки допоміжними засобами не буде нижче 10^-7 мм рт.ст. При температурах гелію 2,8 К (коли є відкачка пари гелію)тиск насиченї пари водню вже не буде перевищувати 10^-12 мм рт.ст. На практиці замість водню, як правило, й використовується гелій, хоча його одержання й набагато дорожче. Але, якщо врахувати капіталовкладення, що йдуть на запобігання вибуху водню, то використання гелію є більш вигідним.

Основне рівняння кріовідкачки

Процес кріоконденсаційної відкачки в області високого і надвисокого вакууму характеризується наступними особливостями:

• температура кріоконденсації значно нижча за температуру потрійної точки;

• молекули, які рухаються в напрямку до кріопанелі, не взаємодіють між собою;

• нехтуючи впливом кріоосаду, вважаємо, що теплота фазового переходу повністю відводиться від кріоосаду до кріопанелі, при цьому температура вільного шару кріоосаду T_К дорівнює температурі кріопанелі T_П.

При макроскопічному розгляді процесу кріовідкачки потрібно мати на увазі, що на поверхні кріопанелі (кріоосаду) одночасно відбуваються як прямі процеси (конденсація молекул), так і зворотні (пружне відбиття та випаровування раніше сконденсованих молекул). Протікання процесу в один бік є результатом переважання швидкості цього напрямку над швидкістю протилежного. Сумарна швидкість за величиною дорівнює різниці швидкостей прямого та зворотнього процесів. Співвідношення між цими швидкостями визначається тим, в якій мірі даний стан системи відрізняється від стану рівноваги. Безпосередньо із співвідношеннь молекулярної взаємодії видно, що інтенсивність того чи іншого процесу обумовлюється кінетичною енергією падаючих на кріопанель молекул та температурою поверхні конденсації.

На мал. 4 схематично зображено три процеси, які відбуваються при кріовідкачці.