Устройство для откачки водорода

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (») 437I67

Союз Соввтскиа

Социалистических

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 26.04.71 (21) 1647865/26-25 с присоединением заявки № (32) Приоритет

Опубликовано 25.07.74. Бюллетень № 27

Дата опубликования описания 24.12.74 (51) М. Кл. Н Ols 1/06

Государственный комитет

Соввта Министров СССР по делам изобретении и открытий (53) УДК 621.375.8 (088.8) (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

В. P. Капитанский; А. И. Лившиц и И. М. Меттер

Ленинградский электротехнический институт связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКАЧКИ ВОДОРОДА

Изобретение касается вакуумной техники и может быть использовано как в вакуумных установках, в которых водород является рабочим веществом (например, в квантовых водородных генераторах, источниках поляризованных протонов для ускорителей, спектральных водородных лампах и т. п.), так и при откачке вакуумных приборов, поскольку водород составляет основную долю выделяющихся при обезгаживании газов и, кроме тото, разрушительно действует на некоторые общеупотребительные средства откачки (например, на электроразрядные насосы с титановыми катодами).

Известно устройство для откачки водорода, содержащее палладиевый насос, в котором водород с большой скоростью проникает сквозь палладиевую перегородку, нагретую свыше

400 С.

Установлено, что с помощью нагретой палладиевой перегородки возможна откачка водорода непосредственно в атмосферу. При этом можно получить разрежение по водороду до

10 — тор (при 10 — тор в атмосфере), Это связано с каталитической активностью палладия в отношении реакции Н2+02- -Н О, которая при избытке кислорода приводит к резкому снижению концентрации водорода в атмосфере вблизи палладиевой перегородки, Такой способ откачки водорода характеризуется небольшим сроком службы палладиевой перегородки, что связано с ее высокой рабочей температурой. Поскольку палладий обладает значительной химической активностью (в отличие, например от платины), то при рабочих температурах он подвергается коррозии под действием кислорода воздуха. Кроме того, в известных образцах палладиевого прока10 та встречаются некие включения (химического или структурного происхождения), на месте которых после непродолжительного прогрева при рабочих температурах возникают микротечи и насос выходит из строя. При этом чем

15 толще палладиевая мембрана, тем надежнее она в работе, но тем меньше (пропорционально толщине) производительность откачки на единицу рабочей поверхности при заданной тем пер а тур е.

20 Цель предлагаемото изобретения — снижение температуры палладиевой перегородки и увеличение срока ее службы и .производительности устройства.

Это достигается тем, что в устройство вве25 ден диссоциатор, установленный на входе палладиевого насоса, для предварительной диссоциации водорода на атомы. Благодаря большой энергии связи атомов в молекуле водорода, предварительная диссоциация молекуляр30 ного водорода сильно снижает энергию акти437167 вации процесса растворения водорода в палладии и равновесие «водород в газовой фазе» вЂ” «водород в металле» должно сместиться в сторону увеличения концентрации водорода в палладии. Это в свою очередь повлечет за собой увеличение градиента концентрации водорода, растворенного в палладиевой перегородке. Увеличение градиента может компенсировать уменьшение коэффициента диффузии при снижении температуры перегородки. Прн снижении температуры палладиевой перегородки до комнатной она становится более прочной механически и имеет практически неограниченный срок службы в отношении коррозии.

Следовательно, в предлагаемом устройстве палладиевая перегородка может быть сделана значительно тоньше (особенно, если ее дополнительно армировать), что приведет к повышению ее производительности и снижению расхода палладия.

В предлагаемом устройстве палладиевая перегородка является проницаемой для атомного водорода и сравнительно непроницаемой при температурах порядка комнатной для всех остальных газов, включая молекулярный водород. Следовательно, если диссоциируют водо-. род в откачиваемом объеме, то он будет проникать через холодную палладиевую перегородку, даже тогда, когда с другой стороны перегородки (на «выхлопе») парциальное давление молекулярного водорода выше, чем в откачиваемом объеме. Таким образом, появляется возможность осуществить рекуперацию водорода. Рекуперация водорода является желательной в приборах, работающих в потоке водорода, так как это снижает вплоть до полного устарения расход водорода, потребляемую мощность и упрощает конструкцию.

В качестве примеров таких приборов можно привести квантовый генератор на пучке атомов водорода, источник поляризованных протонов для ускорителей и др. Кроме того, в случае рекуперации «выхлоп» водорода осуществляется не в атмосферу, а обратно в какуюто часть объема откачиваемого прибора, в которой давление, как правило, не превосходит

1 тор. Следовательно, палладиевая перегородка при откачке в режиме рекуперации должна выдерживать лишь очень незначительные перепады давления и может быть сделана предельно тонкой без дополнительного армирования, что повысит производительность откачки, сократит расход палладия и упростит соответствующие конструкции.

Конкретное осуществление диссоциации водорода может быть различным в зависимости от условий, в которых будет применяться предлагаемое изобретение. Например, диссоциацию можно производить термически, в электрическом разряде (а в случае низких давлений — с помощью электрического разряда в магнитном поле), с помощью электромагнитного излучения (фотодиссоциации), радиактивного излучения, электронных или ионных

65 пучков, солнечного или космического излучений в условиях космоса. В качестве диссоциаторов могут быть использованы рабочие элементы откачиваемых приборов, например, раскаленные нити в электронных приборах, электрический разряд в водороде в спектральных водородных лампах и в водородном квантовом генераторе и т. п.

Ниже приводится конкретный пример осуществления изобретения.

В проведенных экспериментах диссоциация водорода проводилась термическим способом с помощью раскаленной вольфрамовой спирали.

Термическая диссоциация представляется перспективной при откачке предлагаемым способом до высокого вакуума, поскольку в соответствии с законом действующих масс равновесие реакции Н+Н Н2 при снижении

-)» давления смещается в сторону диссоциации, благодаря чему температура диссоциации в условиях высокого вакуума может быть существенно ниже, чем при нормальных условиях.

При понижении температуры Т„спирали выделяемая на ней мощность падает пропорцио4 нально Т, а скорость испарения материала спирали снижается экспоненциально. Например, если для получения степени диссоциации водорода 50 /О:при атмосферном давлении нужна температура 3700 К, то при давлении водорода не выше 10 — 4 тор эта температура может быть от 1800 К и ниже по мере понижения давления.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Напуск и очистка водорода осуществляются с помощью электролитической ячейки 1. Диссоциатором водорода является вольфрамовая спираль 2, вваренная в стеклянный реакционный баллон 3. К реакционному баллону с помощью калиброванной трубки 4 подсоединен магниторазрядный насос 5. Палладиевая перегородка 6 представляет собой запаянную с одного конца трубку, обращенную внешней стороной в откачиваемый объем, а внутренней— в атмосферу. Палладиевая перегородка монтируется в несущем стакане 7, который с помощью трубки 8 атомовода подсоединяется к реакционному баллону. Давление в системе измеряется с помощью ионизационного манометра 9. Для исследования откачки при температурах палладиевой перегородки, отличных от комнатной, в палладиевую трубку 6 со стороны атмосферы может либо вводиться электрический нагреватель, либо шланг для продувки холодного азота, либо заливаться жидкий азот. Для предотвращения рекомбинации стенки реакционного баллона 3, атомовода 8 и несущего стакана 7 покрыты пленкой фторопласта (Ф-4).

Водород, выделяющийся при электролизе в электролитической ячейке 1 на полом палладиевом катоде, проходит сквозь его стенки в реакционный баллон 3 и при выключенной

437167 спирали 2 откачивается насосом 5 через калиброванную трубку 4. В результате устанавливается равновесное давление Р„ измеряемое манометром 9. При включении спирали 2 давление в системе понижается до уровня Р>. за счет проникания атомарного водорода сквозь палладиевую перегородку в атмосферу.

Если о — известная пропускная способность трубки 4, а S — подлежащая определению скорость откачки палладиевой перегородки при диссоциации водорода, то

S =- о — — 1

В наших опытах пропускная способность о трубки 4 по водороду была 0,1 л/сек. В таблице представлены результаты измерений скорости откачки водорода палладиевой перегородки при комнатной температуре с диссоциацией на вольфрамовой спирали, нагретой до

1850 С при различных давлениях водорода.

Для сравнения приведены измеренные в этом же опыте скорости откачки той же перегородки, нагретой до 450 С, но с выключенной спиралью.

Из данных таблицы видно, что скорость откачки водорода горячей палладиевой перего1

2 родкой подчиняется закону 5 (, характерному для дифффузии двухатомных газов через металлы. В случае холодной перегородки и диссоциации водорода на вольфрамовой спирали зависимость скорости откачки от давления оказывается очечь слабой, что свидетельствует о том, что процесс идет с одноатомным газом.

Предварительная диссоциация водорода является эффективной при температуре палладиевой перегородки не выше 300 С. Так, например, при температуре палладиевой перегородки 450 С (см. третий столбец таблицы) включение и выключение вольфрамовой спирали практически не влияет на скорость откачки.

В заключение перечислим основные положительные качества предлагаемого устройства откачки водорода.

1) Палладиевая перегородка работает при комнатных температурах и ниже, Отсюда ее практически неограниченный срок службы, возможность применения тонких перегородок Скорость откачки при комнатной температуре палладиевой перегородки при температуре спирали

1850 С (л/сек) Скорость откачки при температуре палладиевой перегородки 450 С без диссоциации (л/се к) Давление водорода (тор) 10

20 и соответствующего увеличения производительности откачки, удобство сопряжения с откачиваемым прибором (например, палладиевая перегородка может быть выполнена в виде окошка непосредственно в корпусе прибо30 ра)

2) Парпиальное давление молекулярного водорода со стороны выхлопа может быть выше, чем в откачиваемом объеме, отсюда простота реализации замкнутого цикла водорода (рекуперации) для приборов и установок, работающих с потоком водорода, а также возможность использования тонких палладиевых перегородок и соответствующего увеличения производительности откачки.

40 3) Не нужно окислительной атмосферы со стороны câûõëoïà» палладиевой перегородки, что расширяет область применения устройства.

45 Предмет изобретения

Устройство для откачки водорода, содержащее палладиевый насос, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью увеличения срока службы и производительности устройства, в него

50 введен диссоциатор, установленный на входе палладиевого насоса, для предварительной диссоциации водорода на атомы.

1,5Х10

1,75Х10

2,0Х10

2,25 X 10 — 4

2,5Х10

3,0Х10

4,0Х10

5,0X10

6 ОХ10

7,5Х10

10Х10

16Х10

1,20

1,25

1,29

1,33

1,35

1,38

1,40

1,36

1,34

1 29

1,24

1,23

1,70

1,63

1,57

1,54

1,50

1,46

1,38

1,29

1,19

1,03

0,91

0,74

Составитель И. Старосельская

Редактор А. Морозова Техред В. Рыбакова Корректор О. Тюрина

Заказ 3449/14 Изд. № 117 Тираж 760 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

Типография, пр, Сапунова, 2