6.2 Криостаты с 3Не, содержащие внутренние адсорбционные насосы

За счет использования холодной адсорбционной откачки внутри криостата можно избежать откачки при комнатной температуре и, часто, громоздок откачных труб. Газы адсорбируются холодными поверхностями, если их температура достаточно низкая. Если мы поместим большую поверхность при довольно низкой температуре над нашей ванной с 3Не, то эта поверхность будет откачивать гелиевый пар и поддерживать жидкий 3Не при низкой температуре.

Имеются различные подходящие материалы (например, уголь, цеолиты или мелкий металлический порошок) с площадью поверхности, по крайней мере, несколько м2/г [6.10,11,16]. Если мы заполним объем в несколько см3 таким адсорбентом с большой площадью поверхности, то он будет весьма эффективно откачивать жидкий 3Не из ванны. Когда весь 3Не будет откачан, так что камера с 3Не будет пустой, мы сразу же должны поднять угольную откачную систему в пространство криостата, имеющее более высокую температуру, чтобы десорбировать гелий, который затем перейдет в газовую фазу, сконденсируется на холодных поверхностях криостата и, наконец, каплями упадет в 3Не камеру. Такой криостат [6.7-15] с герметически уплотненной системой 3Не, позволяющий достичь 0,25 К, показан на рис. 6.2.

Угольный насос может подниматься или опускаться посредством привода, который приводится в движение через герметично вращающееся уплотнение

Альтернативный путь переключения адсорбента или в состояние откачки, или в состояние десорбции (вместо поднятия и опускания этого узла) — обеспечение теплового контакта адсорбента с окружающей 4Не ванной либо их разъединение. Это может быть достигнуто использованием гелиевого обменного газа в пространстве вокруг сосуда, содержащего адсорбент, и откачки этого газа, если адсорбент должен быть теплоизолирован, с последующим нагревом адсорбента с помощью нагревателя до более высокой температуры для десорбции газообразного 3Не. Мы должны помнить, что теплота адсорбции весьма велика — порядка скрытой теплоты испарения, — так что адсорбент должен быть в хорошем тепловом контакте с 4Не ванной, чтобы отвести теплоту адсорбции и избежать нежелательной высокой температуры адсорбента. Скорость откачки угольных насосов зависит не только от температуры, но также, на практике, является сложной функцией их геометрии, тепловой связи и давления [6.10,11,16].

Кроме того, холодные адсорбционные системы откачки — более эффективны, чем механические насосы при комнатной температуре, потому что они связаны с 3Не камерой короткой холодной откачной трубкой, обеспечивая очень высокую скорость откачки (см. ниже).