Приводятся результаты экспериментального исследования криосорбции изотопов гелия на криослоях аргона и азота.

Процесс криосорбции широко используется в самых различных технологиях: термоядерной энергетике, микроэлектронике, ускорительных комплексах, имитаторах космоса [1-3].

Наиболее трудноконденсируемыми газами являются изотопы гелия (³Не и ⁴Не). 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, обладающих рядом привлекательных свойств, таких как простота формирования и регенерации, отсутствие пыли, устойчивость к радиационным воздействиям, высокая сорбционная емкость и т.д.

Наиболее перспективной с точки зрения практического использования в установках управляемого термоядерного синтеза сегодня считается реакция слияния дейтерия и трития. Откачиваемые продукты реакции представляют собой смесь D₂, H₂, T₂, ⁴He и различных примесей.

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

В последнее время возрос интерес к термоядерным реакторам, работающим на смеси дейтерия и ³Не. Информация по откачке ³Не на сорбентах практически отсутствует.

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

В работе приведена схема экспериментальных модулей для исследования процесса криосорбции изотопов гелия на криослоях аргона и азота. Сферический экспериментальный модуль находится внутри гелиевого криостата. После предварительной откачки и заливки в криостат жидкого азота и жидкого гелия на внутреннюю поверхность экспериментальной камеры осуществляется конденсация газа сорбента (аргон или азот). Затем в систему подается определенное количество газа сорбата (⁴Не или ³Не). Концентрация С представляет собой отношение числа частиц сорбата и сорбента. Результаты представляются в виде изотерм и изостер сорбции. Изотерма сорбции – это зависимость давления газа сорбата от концентрации при постоянной температуре криопанели. Изостера сорбции – это зависимость давления сорбата от величины Т^-1 при постоянной концентрации.

Изотермы сорбции гелия хорошо обрабатываются в координатах уравнения Дубинина – Радушкевича. Точка пересечения продолжений изостер сорбции позволяет по нескольким экспериментальным точкам определить изотермы, изостеры, значения теплот сорбции, емкостей монослоя и удельных поверхностей.

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

• 
  высокая сорбционная емкость криослоев 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 аргона и азота находится в сильной зависимости от толщины криослоя;
  
• 
  изотермы сорбции ⁴Не на криослоях аргона и азота подчиняются уравнению Дубинина-Радушкевича. Полученные значения удельной поверхности в зависимости от толщины криослоя составляют 7 ч 186 м²/г для криослоя аргона и 4 ч 100 м²/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 линией в координатах lg P, T^-1;
  
• 
  сорбционная емкость криослоя аргона по ⁴Не выше, чем по ³Не.
  

1. Nesterov S.B., Kryukov A.P. Vacuum Physics and Technology, 1992, vol. 1, p.p. 38-72.

2. Kachalin G.V., Kryukov A.P., Nesterov S.B. Low Temp. Phys. 1998, vol/24. N 2, p.p. 97-99.

3. Ametistov E.V., Alekseev T.A., Kalinovski A.V., Nesterov S.B. Journal of Low Temperature Physics. 2000, vol. 119, Nos .3\4. p.p. 421-430.