Криосорбция изотопов гелия: Физические особенности и практические приложения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.09, доктор технических наук Нестеров, Сергей Борисович

• Нестеров, Сергей Борисович
• доктор технических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор технических наук Нестеров, Сергей Борисович

Введение

1. Криосорбционная откачка изотопов гелия и водорода 26 слоями сконденсированных газов

1.1. Основные положения

1.2. Статические характеристики процесса криосорбции 35 гелия и водорода слоями сконденсированных газов

1.2.1. Изотермы сорбции гелия и водорода

1.2.2. Зависимость сорбционных свойств криослоев от 40 условий формирования

1.2.3. Температура формирования и температурная 41 предыстория слоя

1.2.4. Скорость формирования слоя

1.2.5. Влияние толщины слоя криоосадка

1.2.6. Влияние примесей

1.3. Динамические характеристики процесса криосорбции 53 изотопов водорода и гелия слоями сконденсированных газов

1.3.1. Зависимость коэффициента прилипания от 53 величины концентрации сорбата в сорбенте

1.3.2. Влияние температуры поверхности конденсации и 59 температуры газа

1.3.3. Влияние толщины слоя конденсата

1.3.4. Влияние структуры слоя и параметров конденсации

1.3.5. Влияние примесей

1.3.6. Характеристики режима криозахвата

1.4. Одновременная сорбция изотопов водорода и гелия 69 слоями сконденсированных газов

1.4.1. Статические характеристики процесса 69 одновременной сорбции водорода и гелия слоями сконденсированного аргона

1.4.2. Динамические характеристики процесса 70 одновременной сорбции изотопов водорода и гелия слоями сконденсированного аргона

1.5. Структура криослоев

1.5.1. Взаимосвязь адсорбционных и структурных 72 характеристик криослоев

1.5.2. Кинетика роста и структура слоев 79 конденсированных газов

1.6. Сравнение характеристик криослоев и традиционных 82 сорбентов

Выводы по главе

2. Экспериментальная установка и методика проведения исследования процесса криосорбции на криослоях

2.1. Описание экспериментальной установки

2.2. Измерительный модуль

2.3. Методика проведения экспериментов по 92 исследованию процесса криосорбции на слоях десублимированных газов

2.4. Погрешности измерений основных 101 экспериментальных величин

2.5. Анализ состояния поверхности конденсирующего 105 элемента

2.6. О нижней границе значений давления при 109 определении изостер сорбции

Выводы по главе

3. Исследование криосорбции гелия на криослоях

3.1. Экспериментальное исследование криосорбции 112 изотопов гелия (4Не и 3Не) на криослоях аргона и азота

3.1.1. Изостеры и изотермы сорбции 4Не на криослоях 112 аргона и азота

3.1.2. Теплоты сорбции 4Не на криослоях аргона и азота

3.1.3. Изотермы сорбции 4Не на криослоях аргона и азота 128 в координатах уравнения Дубинина- Радушкевича

3.1.4. Полюс сорбции

3.1.5. Температура формирования слоя

3.1.6. Послойное нанесение адсорбента

3.1.7. Сорбция Не на слое твердого конденсата аргона 141 при температуре 4.2 К

3.1.8. Время установления равновесного давления при 146 криосорбции гелия

3.1.9. Зависимость сорбционных свойств криослоев 149 аргона и азота от условий формирования

3.2. Криосорбция изотопов гелия (4Не и 3Не) вблизи 153 температуры лямбда-точки

3.2.1. Особенности поведения 4Не вблизи температуры 153 лямбда-точки

3.2.2. Методика проведения эксперимента по изучению 156 криосорбции изотопов гелия (4Не и 3Не) вблизи температуры лямбда-точки

3.2.3. Обсуждение проблем проведения прецизионного 159 эксперимента в земных условиях и при пониженной гравитации

3.2.4. Перспективы дальнейших исследований 161 криосорбции изотопов гелия вблизи лямбда-точки и предложения в программу иссле-дований на МКС "Альфа" в рамках Российских программ и международного сотрудничества Выводы по главе

4. Расчетное определение характеристик взаимодействия гелия и десублимированного газа 4.1. Определение коэффициентов прилипания гелия на 166 поверхности десублимированных газов

4.1.1. Состояние теории взаимодействия молекул газа с 166 поверхностью твердого тела

4.1.2. Расчетная модель. Основные допущения и 175 математическое описание

4.1.3. Результаты расчетов

4.1.3.1. Определение параметров взаимодействия

4.1.3.2. Определение скорости захвата при 182 взаимодействии легких газов с кристаллической решеткой

4.1.3.3. Определение скорости захвата при 187 взаимодействии атома аргона с кристаллической решеткой из атомов аргона

4.1.3.4. Влияние вида потенциальной функции на 188 процесс взаимодействия

4.1.3.5. Определение значений коэффициентов 189 прилипания

4.1.4. Возможное объяснение различия откачных 191 характеристик криослоев аргона по изотопам гелия (4Не и 3Не)

4.2. Расчетное определение зависимости теплот сорбции 194 гелия на криослоях аргона от относительной концентрации

4.2.1. Методика расчета и основные допущения

4.2.2. Результаты расчета зависимости теплотсорбции от 197 относительной концентрации

Выводы по главе

Анализ сложных вакуумных структур

5.1. Описание и тестирование метода пробной частицы

5.2. Распределение концентрации частиц в объемах 232 различной формы

5.2.1. Распределение концентраций

5.2.2. Экспериментальное определение распределения 237 частиц внутри сферического объема

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Криосорбция изотопов гелия: Физические особенности и практические приложения»

5.3.2. Расчет для случая двух сфер, соединенных 247 диафрагмой

5.3.3. Расчет для случая двух сфер, соединенных 248 трубопроводом

5.3.4. Влияние геометрии и температуры 249

5.3.5. Экспериментальное исследование 252 термомолекулярного эффекта

Выводы по разделу 5.3 255

5.4. Зависимость проводимости и углового распределения 256 частиц от закона взаимодействия частиц и шероховатости поверхности

5.4.1. Введение 256

5.4.2. Описание метода расчетов 257

5.4.3. Влияние закона распределения 259

5.4.4. Влияние значения коэффициента прилипания 262 Выводы по разделу 5.4 269 5.5. Анализ погрешности методов определения быстроты 270 действия вакуумных насосов

5.5.1. Введение 270

5.5.2. Анализируемые структуры 271

5.5.3. Метод расчета 273

5.5.4. Анализ одноколпакового метода измерения 273 быстроты действия

5.5.5. Зависимость коэффициента захвата крионасоса от 276 формы инаклона верхней части одноклпаковой испытательной камеры

5.5.6. Влияние структуры анализируемого крионасоса на 277 значение коэффициента захвата по водороду

5.5.7. Анализ двухдатчикового метода измерения 278 быстроты действия

Выводы по разделу 5.5 281 5.6. Влияние микрогеометрии сорбентов на сорбционные 282 характеристики крионасосов

5.6.1. Введение 282

5.6.2. Изучение характера поверхностей разных 283 сорбентов

5.6.3. Моделирование фрагмента поверхности 287 Выводы по разделу 5.6 291 Выводы по главе 5 292

6. Анализ профилей криослоев 294

6.1. Определение профиля криослоев без учета 296 предварительно сконденсированного слоя

6.1.1. Линейный источник массы 296

6.1.1.1. Линейный источник массы над бесконечной 298 плоскостью

6.1.1.2. Линейный источник массы на оси цилиндра 302

6.1.1.3. Линейный источник массы над цилиндрической 303 поверхностью

6.1.2. Точечный источник массы 306

6.1.2.1. Точечный источник массы над бесконечной 309 плоскостью

6.1.2.2. Точечный источник массы в центре сферической 311 поверхности

6.1.2.3. Точечный источник массы над сферической 312 поверхностью

6.1.3. Анализ профилей криослоя для группы источников 316

6.1.4. Сводные таблицы для определения профиля 318 криослоя

6.2. Анализ работы крионасосов термоядерных установок 323

6.2.1. Анализ сорбционной ступени крионасоса 323 дивертора JET

6.2.1.1. Особенности системы откачки 323

6.2.1.2. Определение границы применимости модели 325 источника массы с косинусной функцией распределения к системе распыления аргона

6.2.1.3. Анализ графиков намороженных профилей 330 криослоя аргона

6.2.2. Анализ работы крионасоса установки 335 термоядерного синтеза ITER

6.2.2.1. Особенности системы криооткачки 335

6.2.2.2. Анализ профилей криослоя аргона в 338 сорбционной ступени насоса ITER

Выводы по разделу 6.2 339 6.3. Определение профиля криослоя с учетом 341 предварительно намороженного слоя

6.3.1. Алгоритм расчета и используемые допущения 341

6.3.2. Результаты сравнения 343 Выводы по главе 6 348

7. Устройства селективной откачки 349

7.1. Ловушки для откачки паров воды 349

7.1.1. Требования, предъявляемые к ловушкам 349

7.1.2. Конфигурация водной ловушки, охлаждаемой при 351 помощи дроссельного цикла

7.1.3. Результаты оптимизационных расчетов водных 353 ловушек различных конфигураций

7.1.4. Результаты испытаний водных ловушек 359

7.1.5. Пример расчета проводимости коэффициента 362 захвата криоловушки с учетом намораживаемого криослоя

7.2. Азотный криосорбционный насос 366

7.2.1. Описание криосорбционного насоса и методики 366 испытания

7.2.2. Результаты испытаний криосорбционного насоса 368

7.3. Крионасос для откачки водорода 370

7.3.1. Описание конструкции криосорбционного насоса и 370 постановка задачи моделирования

7.3.2. Алгоритм расчета на основе метода пробной 372 частицы

7.3.3. Зависимость быстроты действия по водороду от 373 коэффициента

11 прилипания

7.3.4. Зависимость быстроты действия по водороду от 376 количества накопленной воды

7.3.5. Зависимость быстроты действия по водороду от 377 количества накопленного аргона

7.3.6. Сравнение экспериментальных и расчетных 379 данных

Выводы по разделу 7.3 380

7.4. Макет блока откачки разрядной камеры 381

7.4.1. Требования, предъявляемые к блоку откачки 381

7.4.2. Описание макета блока откачки и методики 382

7.4.3.1. Случай присоединения к бесконечно большому 386 объему

7.4.3.2. Случай присоединения к испытательной камере 387 проведения эксперимента 7.4.3. Расчет быстроты действия крионасоса

386

7.4.3.3. Влияние геометрии крионасоса Выводы по разделу 7.4 Выводы по главе 7 Заключение Литература

389

390

390

392

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения многих технологических процессов, например, в установках управляемого термоядерного синтеза, ускорительно-накопительных комплексах, имитаторах космоса, в микроэлектронике, физике твердого тела и т. д. необходимо откачивать газовую смесь при условии отсутствия в остаточной среде паров масла. Безмасляный вакуум обеспечивается с помощью устройств криовакуумной техники, которая три-четыре десятилетия назад сформировалась в отдельную область науки и техники [1-5]. На рис. 1 приведена схема криовакуумного устройства, основными элементами которого являются вакуумируемый объем с газовой смесью и криопанель с сорбентом, охлаждаемая криоохладителем. Для охлаждения газовой смеси, как правило, используется защитный экран. Откачиваемый газ подается на криопанель через трубопровод, диафрагму, вентиль и т. д. В качестве сорбента могут использоваться как традиционные сорбенты (угли, геттеры, молекулярные сита, силикагели, металлические порошки и т. д.) так и криослои легкоконденсируемых газов, которые подаются на криопанель из источника газа и конденсируются на ней в твердую фазу, становясь сорбентом для трудноконденсируемых газов. Под трудноконденсируемыми газами в

Схема криовакуумного устройства 2

3 4 5 6 7 8

Рис. 1.1 — вакуумируемый объём; 2 — газовая смесь; 3 — источник газа; 4 — защитный экран; 5 — источник газа сорбента; 6 — сорбент; 7 — криопанель; 8 — криоохладитель данной работе понимаются изотопы гелия (4Не и 3Не) и изотопы водорода

Н2, В2, Та).

В настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные с откачкой изотопов гелия на слоях сконденсированных газов, как альтернативном способе наряду с откачкой на традиционных сорбентах.

На рис. 2 приведено условное трехмерное пространство, по трем осям которого отложены логарифмы отношений давления, температуры и ускорения свободного падения к соответствующим значениям при условиях окружающей среды. Условиям окружающей среды соответствует начало координат. На осях отложены известные характерные точки. Если условно считать низкими температурами Т<4.2 К (температура жидкого 4Не при давлении 105 Па), высоким вакуумом — состояние, соответствующее Р<10"3 Па, а микрогравитацией — состояние, соответствующее ^ос<10"6, то можно выделить уникальную для исследований область, обозначенную штриховыми линиями.

Рис. 2. Условное трехмерное пространство.

Гипотетическая пружина, соединяющая точки с координатами 1§(Т/ТОС)=0, 1Е(Р/РОС)=0, 1е(е/Вос)=0 и 1Е(Т/Т0С)=-1.84, 1§(Р/Рос)=-8, Ш%ос)=-6 изображена для того, чтобы подчеркнуть, что каждый порядок на пути проникновения в глубины природы преодолевается с большим трудом, чем предыдущий. Уникальность этой области заключается в том, что на физические процессы практически не оказывают влияние ни тепловые шумы, ни гравитация, ни взаимное влияние частиц газа друг на друга. Это позволяет наблюдать процессы, происходящие в материи в чистом, «неискаженном» виде.

Особенностью процесса криосорбции на криослоях является удачное сочетание названных трех составляющих — Р, Т, В данном случае имеется в виду, что малая величина толщины криослоя, и тем более пленки сорбата, позволяет пренебречь при анализе процесса влиянием сил гравитации. Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что изучение свойств тонких пленок изотопов гелия является важным инструментом в познании первооснов материи.

Актуальность проблемы.

Процесс криосорбции широко используется в самых различных технологиях: в термоядерной энергетике, в микроэлектронике, в ускорительных комплексах, в имитаторах космоса и т. д.

Наиболее трудноконденсируемыми газами являются изотопы гелия (4Не и 3Не). Для обеспечения высоковакуумных условий необходимо, чтобы криопанель находилась при очень низких температурах — порядка десятых долей Кельвина, что представляет собой сложную техническую задачу, решение которой сопровождается большими энергозатратами. В то же время парциальное давление этих газов можно существенно понизить с помощью криосорбции на традиционных сорбентах (угли, силикагели, молекулярные сита, мелкодисперсные порошки), а также на нетрадиционных сорбентах — криослоях сконденсированных газов. Криослои являются перспективным классом сорбентов, обладающим рядом привлекательных свойств, таких как простота формирования и регенерации, отсутствие пыли, устойчивость к радиационным воздействиям, высокая сорбционная емкость и т. д. Свойства криослоев как сорбентов интенсивно изучаются во многих лабораториях мира на протяжении последних 30-40 лет.

Накопленный богатый экспериментальный материал и технологический опыт по изготовлению и эксплуатации крионасосов привел к созданию новой области науки и техники — криовакуумной техники. Криовакуумная техника охватывает физические основы процессов криосорбции, криоконденсации и криозахвата (совместной конденсации различных газов), закономерности поведения газа в сильно неравновесных условиях при наличии сорбирующих и десорбирующих поверхностей, вопросы технологии изготовления и оптимизации различных откачивающих газ устройств и т. д. Сегодня развитие криовакуумной техники осуществляется по двум генеральным направлениям — создание больших крионасосов для электрофизической аппаратуры (установки термоядерного синтеза, ускорительно-накопительные комплексы, имитаторы космоса и т. д.) и создание так называемых малых крионасосов для обеспечения нужд микроэлектроники, физики твердого тела, для получения новых сверхчистых материалов. Основное преимущество устройств криовакуумной техники — принципиально безмасляный вакуум открывает широкие перспективы по их использованию в различных областях науки и техники.

Наиболее перспективной с точки зрения практического использования в установках управляемого термоядерного синтеза сегодня считается реакция слияния дейтерия и трития

Б + Т 4Не + п + 17.6 МЭВ

Откачиваемые продукты реакции представляют собой смесь Б2, Н2, Т2,4Не и различных примесей.

Для обеспечения нормальной работы реактора необходимо, чтобы была организована откачка продукта реакции — 4Не со скоростью не менее 1600 м3/с [5, 6].

В последнее время возрос интерес к термоядерным реакторам, работающим на смеси дейтерия и Не [7]. Информация по откачке Не на сорбентах практически отсутствует. При рассмотрении процесса криосорбции речь идет о количествах сорбента, соответствующих толщинам масштаба одного-двух монослоев. Имея в виду, что толщина одного монослоя соответствует нескольким ангстремам, система сорбент — сорбат является удобным инструментом для изучения свойств материи, не искажаемых влиянием гравитационного поля.

Для адекватности описания любой вакуумной системы необходимо знать поле концентраций и потоков частиц в каждой точке этой системы. Это становится особенно актуальным для систем криовакуумной техники, которым присущи сильное различие температур в различных точках и наличие источников и стоков частиц. Для инженеров-проектировщиков и изготовителей криовакуумных систем является необходимым знание того, как интегральные характеристики, такие как быстрота действия, зависят от массообменных процессов, происходящих на поверхности, от температурного распределения по поверхности системы, от микрогеометрии поверхности и макрогеометрии всей систем в целом.

Поэтому комплексное экспериментальное и теоретическое исследование процесса криосорбции изотопов гелия, осуществленное в настоящей диссертации, представляется безусловно актуальным.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Разработать подход к определению интегральных характеристик сложных вакуумных систем, учитывающий взаимодействие частиц с поглощающей поверхностью на микроуровне и особенности поведения разреженного газа в существенно неравновесных условиях. Для этого необходимо:

1. Выполнить комплексное исследование процесса криосорбции изотопов гелия 4Не и 3Не на криослоях аргона и азота.

2. Исследовать закономерности процесса криосорбции изотопов гелия на криослоях в районе лямбда-точки.

3. Исследовать поведение разреженных газов в существенно неравновесных условиях.

4. Определить влияние микрогеометрии сорбентов (активированные угли, геттеры) на интегральные откачные характеристики.

5. Определить профили криослоев в зависимости от типа источника газа, формы поверхности криопанели, количества намороженного конденсата и геометрических размеров системы в целом с учетом и без учета предварительно сформированного криослоя.

6. Построить компьютерные модели систем селективной откачки смесей газов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Предложен новый подход к анализу сложных вакуумных систем, учитывающий в совокупности характеристики взаимодействия частиц с поверхностью на микроуровне, движение частиц от входной до поглощающей поверхности, обобщенные современные представления о физических особенностях и специфике процесса криосорбции и соответствующие модели, описывающие поведение разреженных газов в существенно неравновесных условиях.

2. Выполнено комплексное исследование криосорбции изотопов гелия. Впервые получены обобщенные изотермы сорбции и зависимости значений теплот сорбции 4Не на криослоях аргона и азота различной толщины (6-Ю21 - 3.75-1023 м"2 для Аг и 3.75-1022 - 6-Ю24 м"2 для N2) от относительной концентрации.

Показано, что изостеры сорбции пересекаются в точке, названной полюсом сорбции. Значение полюсов сорбции для 4Не на криослоях аргона, азота, кислорода, а также на нержавеющей стали хорошо описываются прямой линией в координатах 1§Р, Т"1.

3. Впервые получены изотермы сорбции Не на криослоях аргона толщиной 1.58-1023м"2 и 6-1021м"2. Сравнение изотерм сорбции 3Не и

4Не на криослое аргона показало, что сорбционная емкость по 4Не выше о Я чем по Не. Определены изостеры сорбции Не на криослое аргона

01 О толщиной 6-10 м". Предложено объяснение различной сорбционной емкости криослоя аргона по изотопам гелия (3Не и 4Не).

4. Впервые исследовано поведение изостер сорбции 4Не и 3Не вблизи температуры лямбда перехода 4Не в большом объеме.

5. Из сравнения экспериментальных и расчетных зависимостей теплот сорбции гелия на аргоне от концентрации сделаны заключения о структуре криослоев.

6. Экспериментально определены граничные значения чисел Кнудсена, при которых начинают выполняться соотношения, описывающие свободномолекулярный и вязкостный режимы течения газов.

Достоверность экспериментальных результатов.

Достоверность экспериментальных результатов, изложенных в диссертации, обеспечивается использованием апробированных методов исследования процесса криосорбции, а в случае применения новых методов — тщательным анализом погрешностей, тарировкой измерительной аппаратуры.

Надежность полученных результатов подтверждается согласованием контрольных экспериментов с данными других авторов. Применяемый для численного анализа метод пробной частицы Монте-Карло многократно тестировался и обеспечил хорошее согласование с данными, полученными известными специалистами в области использования этого метода.

Практическая ценность:

Результаты экспериментального исследования процесса криосорбции изотопов гелия, условий регенерации, условий оптимального формирования криослоев имеют непосредственную прикладную направленность на работу систем откачки продуктов реакции управляемого термоядерного синтеза (проекты ИНТОР, OTP, ITER, малорадиоактивный управляемый синтез). Исследование криосорбции изотопов гелия на криослоях в районе лямбда-точки имеют фундаментальное значение для понимания закономерностей поведения ненасыщенных пленок вблизи характерных точек гелия при том условии, что вследствие малой толщины этих пленок, сравнимой с несколькими ангстремами, исключается влияние гравитации. Расчетные и экспериментальные исследования по поведению разреженного газа в сильно неизотермичных системах при наличии стоков и источников частиц имеют первостепенное значение для оценки адекватности показаний приборов для измерения вакуума и действительных параметров среды — распределения концентраций, плотностей и потоков газовых частиц.

Экспериментальные результаты по криосорбции гелия на криослоях являются полезными при проектировании и изготовлении как больших крионасосов (УНК, имитаторы космоса и т.д.), так и малых крионасосов (микроэлектроника, физика твердого тела, получение новых материалов).

Полученные в диссертационной работе результаты использовались при проектировании и изготовлении различных криовакуумных устройств в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, в Российском научном центре «Курчатовский институт», в APD Cryogenics, на Сердобском электроламповом заводе.

Автор защищает:

• обобщенные характеристики процесса криосорбции гелия на криослоях аргона и азота в широком диапазоне толщин криослоев и концентраций;

• особенности поведения изостер сорбции изотопов гелия вблизи лямбда-перехода 4Не в большом объеме;

• полученную на основе решеточной теории зависимость безразмерной скорости захвата от характеристик системы (падающая частица и поверхность), позволяющая делать оценку значения коэффициента прилипания;

• предположение о вязкостной структуре криослоев, полученное в результате сравнения экспериментальных и расчетных зависимостей величины теплоты сорбции гелия на криослое аргона от относительной концентрации;

• таблицы и номограммы для определения формы криослоя в зависимости от типа источника газа, геометрии криопанели и взаимного расположения источника газа и криопанели с учетом и без учета предварительно намороженного криослоя;

• рассмотренные с единых методических позиций с использованием метода статистических испытаний особенности и эффекты, присущие устройствам криовакуумной техники, и границы их применения (распределение концентрации частиц внутри объемов, ограниченных криволинейными поверхностями; термомолекулярный эффект; влияние типа углового распределения на входе в трубопровод и на поверхности трубопровода на величину проводимости; влияние геометрии измерительной камеры на величину быстроты действия присоединенного к ней крионасоса; влияние микрогеометрии сорбентов и величины локального коэффициента прилипания на величину интегрального коэффициента прилипания); • компьютерные модели различных средств селективной откачки смесей газов.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 3-ей и 4-ой всесоюзных конференциях по криогенной технике (Балашиха, 1982г., Москва, 1987г.), 3-ей, 4-ой, 5-ой и 6-ой национальных конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 1984, 1988, 1990, 1997 г.г.), 8-ой всесоюзной конференции «Взаимодействие атомных частиц с твердым телом» (Москва, 1987г.), 9-ой и 10-ой всесоюзных конференциях по динамике разреженных газов (Свердловск, 1987 г., Москва, 1989 г.), 17-ом симпозиуме по низкотемпературной физике и технике (Германия, Гауссиг 1988 г.), научно-технической конференции Братиславского технического университета (Братислава, 1989 г.), 5-ой Европейской вакуумной конференции (Испания, Саламанка, 1996г.), 20-ом международном симпозиуме по динамике разреженного газа (Китай, Пекин, 1996 г.), всесоюзной конференции «Состояние и перспективы развития вакуумной техники» (Казань, 1991 г.), всесоюзном семинаре по вакуумной технике (Адлер, 1990 г.), научно-техническом семинаре в фирме APD Cryogenics (США, Аллентаун, 1995 г.), 1-ой, 2-ой, 3-ой, 4-ой, 5-ой и 6-ой конференциях "Вакуумная наука и техника" (Гурзуф, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999 г.г.), 2-ой всесоюзной конференции "Теплофизика и гидродинамика процессов кипения и конденсации (Рига, 1988 г.), 5-ой всесоюзной конференции по физике и технике высокого и сверхвысокого вакуума (Ленинград, 1985 г.), конференции по технической криогенике (США, Портланд, 1997 г.), 2-ом международном совещании «Проблемы вакуумных измерений» (Германия, Магдебург, 1997 г.), международном совещании по физическим процессам в условиях микрогравитации (США, Пасадена, 1995 г.), совместном 10-ом Европейском и 6-ом Российском симпозиуме по физическим наукам в условиях микрогравитации (С. Петербург, 1997 г.), 1-ом и 2-ом международных семинарах по физике низких температур в условиях микрогравитации (Черноголовка, 1997, 1999 г.г.), 44-ом, 45-ом и 46-ом международных симпозиумах Американского вакуумного общества (США, Сан-Хосе, 1997 г., Балтимор, 1998 г., Сиэтл, 1999 г.), 2-ом международном симпозиуме ученых и исследователей России и США, выполняющих исследования по программе «Наука-НАСА» (Королев, 1996г.), научно-практической конференции «Вакуумная техника и вакуумные технологии» (Харьков, 1995 г.), 4-ом международном симпозиуме по технологии термоядерного синтеза (Япония, Токио, 1997 г.), научно-исследовательском семинаре «Механика невесомости и гравитационно-чувствительные системы» (Москва, ИПМ РАН, 1997, 1999 г.г.), семинарах секции «Космическое материаловедение» РАН (Москва, ИК РАН, 1996, 1997 г.г.), 3-ей Харьковской вакуумной конференции (Харьков, 1993г.), 14-ом международном вакуумном конгрессе (Англия, Бирмингем, 1998 г.), всесоюзном семинаре по метрологии вакуума (Севастополь, 1991г.), 3-ем международном симпозиуме «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 1999г.), 1-й Российской конференции по космическому материаловедению (Калуга, 1999 г.); международной школе-семинаре «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность» (Москва, 2000).

Публикации.

Основное содержание диссертации изложено в 38 публикациях. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения (общие выводы по работе). Общий объем диссертации 420 страниц, в том числе

Заключение диссертации по теме «Физика низких температур», Нестеров, Сергей Борисович

Выводы по главе 7.

1. На основе оптимизационных расчетов по определению проводимости созданы водные ловушки, эффективно откачивающие пары воды в диапазоне температур 115ч-130 К. Расчетные и экспериментально определенные характеристики ловушек находятся в хорошем соответствии.

2. Создан азотный заливной адсорбционный насос, использующий активированный уголь в качестве сорбента, с улучшенной системой регенерации для обеспечения безмасляной форвакуумной откачки.

3. Создана компьютерная модель крионасоса для откачки водорода, позволяющая определить зависимость быстроты действия от количества откачанного легкоконденсируемого газа (аргон). Модель может применяться для оценки работы новых конструкций крионасоса.

4. Создан макет блока откачки разрядной камеры для раздельной откачки продуктов реакции термоядерного синтеза с расчетной быстротой действия по гелию, равной 4.664 л/с.

392

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе проведенных экспериментальных исследований процесса криосорбции изотопов гелия на криослоях аргона и азота установлено:

• высокая сорбционная емкость криослое аргона и азота по гелию объясняется тем, что при малых заполнениях значение теплоты сорбции в 10-15 раз превышает величину теплоты конденсации 4Не;

• сорбционная емкость и величина теплоты сорбции 4Не на криослоях Аг и N2 находится в сильной зависимости от толщины криослоя;

• изотермы сорбции 4Не на криослоях Аг и N2 подчиняются уравнению Дубинина-Радушкевича. Полученные значения удельной поверхности в зависимости от толщины криослоя составляют 7-Г-186 м /г для криослоя аргона и 4-И 00 м /г для азота;

• изостеры сорбции пересекаются в точке, названной полюсом сорбции. Значения полюсов сорбции для 4Не на криослоях аргона, азота, кислорода, а также на нержавеющей стали хорошо описываются прямой лигией в координатах ^Р, Т"1;

• сорбционная емкость криослоя аргона по 4Не выше чем по 3Не;

2. при криосорбции 4Не на криослоях аргона толщиной 3.75-1022 и 6-1021 м"2 изостера сорбции претерпевает скачкообразное изменение вблизи температуры лямбда перехода 4Не в большом объеме. При криосорбции Не подобного изменения характера изостеры не происходит — изостера имеет прямолинейный вид в соответствии с уравнением Клапейрона-Клаузиуса. Предложено объяснение разного поведения изостер сорбции 4Не и 3Не вблизи лямбда перехода 4Не;

3. Экспериментально показано, что для случая длинного трубопровода коэффициент температурной транспирации п=0.5 при числах Кнудсена Кп > 6.5 для ксенона и Кп > 6.1 для водорода и п = 0 при Кп < 0.6 для ксенона и Кп < 0.4 для водорода. Полученные значения чисел

Кнудсена можно интерпретировать как граничные для молекулярного (п = 0.5) и вязкостного (п = 0) режимов течения газа.

4. Сравнение расчетных зависимостей величин теплот сорбции гелия на кристаллическом аргоне с результатами экспериментов сделан вывод об изменении структуры криослоя по мере увеличеия его толщины.

5. С использованием метода статистических испытаний пробной частицы:

• определены границы применения соотношения Кнудсена;

• показано, что основное влияние на значение коэффициента Клаузинга для цилиндрического трубопровода и на характер индикатрисы траекторий частиц, вылетающих через выходное сечение, оказывает тип углового распределения на входе в трубопровод. Степень этого влияния уменьшается по мере увеличения значения коэффициента прилипания на внутренней поверхности трубопровода;

• при сравнении значений быстроты действия крионасоса, рассчитанных по схеме присоединения к большому объему и с учетом изменений, вносимых конструкцией измерительных камер, разница достигает 8%;

• определена зависимость интегрального коэффициента прилипания различных геттеров и активированных углей от локального коэффициента прилипания в месте взаимодействия частицы с реальной поверхностью, форма которой определена с использованием туннельного электронного микроскопа.

6. Выражения, полученные Макаровым A.M. и сотрудниками для профиля криослоя в случае Гауссовского закона распределения частиц из газового источника, распространены на случаи косинусного, лепесткового и равномерного законов распределения. Получены номограммы и сводные таблицы для определения криослоев, образуемых на криопанелях различной формы в результате конденсации частиц, вылетающих из источников в соответствии с

394

Гауссовым, косинусным, лепестковым и равномерным законами распределения. Рассмотрен случай истечения газа из нескольких источников.

7. Проанализированы с точки зрения нанесения равномерного криослоя схемы, реализуемые в криозахватных насосах установок JET и ITER и сделаны рекомендации по повышению эффективности процесса криооткачки.

8. С помощью метода пробной частицы построены номограммы для определения профилей криослоев с учетом предварительно сконденсированных слоев.

395

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Нестеров, Сергей Борисович, 2000 год

1. Б. Г. Лазарев. Истоки криовакуума. Труды Украинского вакуумного общества. 1995. том 1. с. 20-27.

2. R. A. Haefer, Kryo-Vakuumtechnik: Grundlagen und Anwendungen, Springer-Verlag, Berlin, 1980.

3. Werner G. Baecher. Cryopumps for research and industry. Vacuum, 1987, vol. 37, n. 1/2, pp. 21-29.

4. B. A. Hands. Cryopumping. Vacuum 1987, vol. 37, n. 8/9, pp. 621-627.

5. A. Cheyne, N. Roche, J. C. Boissin. ITER Vacuum Design Handbook. EFET/TR/N070 Issue P04, 1997.

6. D. K. Murdoch, A. Muck and J. C. Boissin. ITER primary vacuum pumping concept development and testing programme. Proc. 16-th IAEA Fusion Energy Conference, Montreal, Canada. October 1996

7. И. H. Головин. Малорадиоактивный управляемый термоядерныйосинтез (реакторы с D Не) — М.:ЦНИИатоминформ, 1989, 48 с.

8. В. Е. Минайчев. Вакуумные крионасосы. М.: Энергия, 1976, 152 с.

9. К. П. Шумский. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения. М.: Машиностроение, 1974, 575 с.

10. Ю. Н. Котельников, М. Д. Малев, Г. Л. Саксаганский, Г. В. Смирнитская, В. Б. Юферов. Сверхвысокий вакуум в радиационно-физическом аппаратостроении. М.: Атомиздат, 1976.

11. Физика и техника сверхвысокого вакуума. Сборник под ред. Г. Л. Саксаганского. Л.: Машиностроение, 1968.

12. В. И. Иванов. Безмасляные вакуумные насосы. Л.: Машиностроение, 1980, 160 с.

13. Вакуумная техника. Справочник под ред. Е. С. Фролова и В.Е.Минайчева. М.: Машиностроение, 1990, 320 с.

14. Г. Л. Саксаганский. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. М.: Атомиздат, 1980, 215 с.

15. M. Hablanian. Handbook of Vacuum Technology: a Practical Guide. New York, Marcel Dekker Inc, 1990.

16. В. Кеезом. Гелий. Пер. с англ. под ред. А. И. Шальникова. М.: Изд. иностр. л-ры, 1949, 541 с.

17. Е. С. Боровик, С. Ф. Гришин, Б. Г. Лазарев. О предельном вакууме конденсационных насосов. ПТЭ, 1960, N 1, с. 115-118.

18. Ф. И. Бусол, В. Б. Юферов. Новый метод откачки водорода. ЖТФ, 1966, т. 36, вып. 1, с. 174.

19. В. Б. Юферов, П. М.Кобзев Исследование криосорбционной откачки гелия, водорода и дейтерия слоями сконденсированных газов. ЖТФ, 1969, т. 39, вып. 9, с. 1683.

20. В. Б. Юферов. Конденсационно-адсорбционная откачка. ВАНТ, сер. Низкотемпературная адсорбция и криогенный вакуум. Харьков, ХФТИ, 1971, с. 125.

21. В. Б. Юферов, Ф. И. Бусол. Исследование сорбции водорода и неона слоями сконденсированных твердых газов. ЖТФ, 1966, 36, N 2, с. 2042.

22. В. Б. Юферов, П. М. Кобзев Откачка гелия сконденсированными слоями газов в интервале давлений 10"9-10"13 Topp. ЖТФ, 1969, т. 39, N 3, с. 571.

23. В. Б. Юферов, П. М. Кобзев. Одновременная сорбция Не и Не II слоями сконденсированных газов при температуре 4.2 К. ЖТФ, 1970, т. 40, N 12, с. 2598.

24. В. Б. Юферов, В. А. Коваленко, П. М. Кобзев, Исследование сорбции гелия слоями сконденсированных газов. ЖТФ, 1967, 37, N 9, с. 1726.

25. В. В. Глазунова, А. А. Павлов, В. М. Папко. Оценка возможности применения заливного криогенного гелиевого насоса в течеискательных системах. ВАНТ, 1991, вып. 1, с. 23.

26. М. П. Ларин. Сверхвысоковакуумный гелиевый заливной криогенный насос повышенной производительности. ЖТФ, 1986, вып. 4, с. 744.

27. В. Б. Юферов, Р. Ф. Булатова, П. М. Кобзев, В. С. Коган. Исследование механизма сорбции водорода сконденсированными слоями С02. ЖТФ, 1968, вып. 2, с. 326.

28. К. Tempelmeyer, R. Dawbarn, R. Young. Sorption Pumping of Hydrogen by Carbon Dioxide Cryodeposits. J. Vac. Sei. Technol., 1971, v. 8, N. 4 p. 575.

29. K. Tempelmeyer. Correlation of the Equilibrium Adsorption Isotherms of Low Temperature Cryodeposits. Cryogenics, 1971, v. 11, N 1, p. 120.

30. E. Muller. Adsorption Isotherms on Solid Carbon Dioxide. Cryogenics, 1966, v. 6, p. 242.

31. R. Dawbarn, I. Haygood. Proc. of the 4th Intern. Vacuum Cong., 1968.

32. J. Hengevoss. Influence of the Temperature History of Condensed Argon on Hydrogen Adsorptivity at Low Temperatures. J. Vac. Sei. Technol., 1969, v. 6. N 1, p. 58.

33. K. Becker, G. Klipping, W. Schoenherr, W. Schulze, V. Toelle. Cryopumping by Adsorption on Condensed Gases. Proc. of the 4th Intern. Cryogen. Eng. Conf. Eindhoven, Netherlands, May 1972.

34. В. Б. Юферов. О влиянии условий формирования на адсорбционные свойства слоев сконденсированных газов. ВАНТ, сер. Низкотемпературная адсорбция и криогенный вакуум. Харьков, ХФТИ, 1973, вып. 1(4), с. 3.

35. I. Arakawa, М. Kobayashi, Y. Tuzi. Effects of Thermal Spikes on the Characteristics of Cryosorption Pumps with Condensed Carbon Dioxide Layers. J. Vac. Sei. Technol., 1979, v. 16, N 2, p. 738.

36. H. Abe, W. Schulze. The Sorption Capacity of Solid Rare Gas Layers. Chemical Physics, 1979, v. 41, p. 257.

37. K. Tempelmeyer, L. Arnold. Sorption Pumping of Hydrogen. Eng. Dev. Centre. 1970, p. 70.

38. В. Б. Юферов, JI. Г. Сороковой. Слои отвердевших газов — микропористые сорбенты. ВАНТ, сер. Низкотемпературная адсорбция и криогенный вакуум. Харьков, ХФТИ, 1971, с. 150.

39. Ю. А. Дубовицкий, А. П. Крюков, А. В. Млынский. Экспериментальное определение коэффициентов прилипания гелия на десублимированных газах при низких температурах. Поверхность, сер. Физика, химия, механика. 1989, вып. 10, с. 41.

40. Ф. И. Бусол, В. Б. Юферов. Исследование сорбции водорода и неона слоями сконденсированных твердых газов. В кн.: Физика и техника сверхвысокого вакуума. Под ред. Г. JI. Саксаганского. JI.: Машиностроение, 1968, с. 31.

41. A. Hunt, С. Taylor, J. Omohyndro. Adsorption of Hydrogen on Solidified Gas Films. Advances in Cryogenics Engineering, 1963, v. 8, p. 100.

42. K. Tempelmeyer. The Sorption of Hydrogen by Sulfur Dioxide Frost. J. Vac. Sci. Technol. 1971, v. 8, N 4, p. 612.

43. I. Thibault, J. Ronssel, A. Manoboff, P. Didier. Precise Measurement of the Capture Coefficient of a Gas on a Liquid Helium Cooled Surface. Proc. of the 1st Int. Ciyog. Eng. Conf., 1966, p. 20.

44. А. Д. Бычкова, Л. С. Гуревич, 3. В. Ершова, Г. JI. Саксаганский, Д. В. Серебренников. Особенности и важнейшие характеристики системы высоковакуумной откачки термоядерных реакторов-токамаков. ВАНТ, сер. Термоядерный синтез, 1983, вып. 3(13), с. 31.

45. J. Chubb, L. Gowland, I. Pollard. Condensation Pumping of Hydrogen and Deuterium on the Liquid Helium Cooled Surfaces. Brit. Journal Appl. Phys., 1968, v. l,p. 361.

46. Л. Г. Сороковой, В. Б. Юферов. Исследование сорбционных свойств сконденсированных газов в условиях электронной бомбардировки. Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной научно-технической конференции по вакуумной технике. 1970, Казань, с. 62.

47. I. Dawson, J. Haygood, J. Collins. Temperature Effects on the Capture Coefficients of Carbon Dioxide, Nitrogen and Argon. Advances in Cryogenics Engineering. 1964, v. 9, p. 443.

48. E. Д. Бендер, Г. А. Блинов. Сорбция газов водой, конденсирующейся при температуре жидкого азота в высоком вакууме. В кн.: Физика и техника сверхвысокого вакуума. Под ред. Г. Л. Саксаганского. Л.: Машиностроение, 1968, с. 41.

49. J. Hengevoss, Е. Trendelenburg. Continuous Cryotrapping of Hydrogen by Argon in the Temperature Range between 4.2-15 K. Vacuum, 1967, v. 17, N 9, p. 495.

50. J. Hengevoss, E. Trendeleburg. Continuous Cryotrapping of Hydrogen and Helium by Argon at 4.2 K. Proc. of the Trans. Vac. Symp., 1963, p. 101.

51. T. Batzer, R. Patrick, W. Call. A TSTA Compound Cryopump. UCRL 84456. Preprint, 1980, 24 p.

52. А. П. Крюков, E. В. Сидоров. Криовакуумная откачка гелия в режиме криозахвата. ВАНТ, сер Термоядерный синтез, 1987, вып. 1, с. 39.

53. Е. В. Сидоров. Определение динамических характеристик криосорбции гелия в режиме криозахвата. Автореферат дисс. на соискание уч. ст. к. т. н. М., МЭИ, 1986, 19с.

54. А. А. Рабин, В. С. Свищев. Влияние изотопов водорода на эффективность криосорбционной откачки гелия слоями сконденсированного аргона. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 1988, вып. 3, с. 24-26.

55. С. И. Коваленко, Н. Н. Багров. Физика твердого тела. Электроннографическое исследование структуры тонких пленок твердого аргона. 1967, том 9, N 10, с. 3032.57