В статье представлены результаты анализа характеристик серии GM-криорефрижераторов (криорефрижераторов Гиффорда-МакМагона / криокулеров) производства PRIDE Cryogenics, предназначенных для получения температур в диапазоне от <2,5 K до 30 K. Рассмотрены модели KDE420SA, KDE418SA, KDE415SA, KDE412SA, KDE410SA, KDE401SA, а также их применение в системах сжижения гелия, криостатах и криогенных вакуумных насосах. Приведены типовые нагрузочные графики и схемы подключения. Дополнительно рассмотрены вопросы создания высокого вакуума в криогенных установках с использованием турбомолекулярных насосов и безмасляных вакуумных насосов, а также методы контроля остаточной атмосферы с помощью квадрупольного масс-спектрометра.
Введение
Криорефрижераторы, работающие по циклу Гиффорда-Мак-Магона (GM), являются наиболее промышленно освоенным типом криогенного оборудования благодаря высокой надёжности, длительному ресурсу и простоте управления. Компания PRIDE Cryogenics разработала линейку моделей, перекрывающую потребности от 77 K до 2,5 K.
Особенностью является использование запатентованных технологий: фазовращателя с инерционной щелью и нанофильтрационной маслоотделительной системы, что повышает ресурс и стабильность. Важным аспектом эксплуатации криокулеров является обеспечение высокого вакуума в изоляционных полостях криостатов, что достигается применением турбомолекулярных вакуумных насосов (ТМН). Например, для откачки вакуумной камеры дегазации или термовакуумной камеры используются безмасляные вакуумные насосы, предотвращающие загрязнение внутренних поверхностей.
Методика анализа
За основу взяты типовые нагрузочные графики (Typical Load Map) для частоты 50 Гц, приведённые в каталоге. Оценивались следующие параметры: минимальная достигаемая температура, охлаждающая способность на первой и второй ступенях, время выхода на режим (cooldown time), потребляемая мощность, масса и тип криокомпрессора (компрессора криогенного контура).
Для моделирования вакуумных условий использовались данные по созданию вакуума с помощью форвакуумного насоса и турбомолекулярного насоса, принцип работы которого основан на передаче импульса молекулам газа вращающимися лопатками.
Результаты
На рис. 1 представлен типовой нагрузочный график для модели KDE420SA. При температуре 4,2 K вторая ступень криорефрижератора обеспечивает 2,0 Вт охлаждающей мощности, время выхода на режим составляет менее 60 мин. Первая ступень при 50 K выдаёт 20 Вт.
В таблице ниже представлено сравнение основных моделей по ключевым рабочим характеристикам.
| Модель | T_min (K) | Q @ 4,2 K (Вт) | Компрессор | Время выхода (мин) |
|---|---|---|---|---|
| KDE420SA | <3,5 | 2,0 | KDC6000V | <60 |
| KDE418SA | <3,5 | 1,75 | KDC6000V | <60 |
| KDE415SA | <3,5 | 1,5 | KDC6000V | <60 |
| KDE412SA | <3,5 | 1,25 | KDC6000V/4000F | <60 |
| KDE410SA | <3,5 | 1,0 | KDC6000V | <60 |
| KDE401SA | <2,5 | 0,25 | KDC2000F | <120 |
Модель KDE401SA достигает самой низкой температуры (<2,5 K) за счёт использования воздушного охлаждения и меньшего криорефрижератора (масса 8,9 кг против 18-19 кг у старших моделей). Однако её охлаждающая способность на 4,2 K составляет лишь 0,25 Вт, что ограничивает применение сверхпроводящими устройствами с низким теплопритоком.
Схема подключения (рис. 2) для всех моделей типична: криорефрижератор соединяется с криокомпрессором двумя гелиевыми линиями (подача высокого давления, возврат низкого).
В каталоге приведён рисунок Outline Drawing для KDE420SA, где указаны габариты, фланцы, расположение разъёмов.
Для работы в составе криостатов важна герметичность соединений, что контролируется детектором утечки гелия. Типичная норма – скорость натекания не более 10⁻⁹ м³·Па/с.
Обсуждение
Линейка PRIDE Cryogenics позволяет подобрать криорефрижератор под требуемую нагрузку. Модели KDE420SA…KDE410SA используют мощный водяной криокомпрессор KDC6000V (потребление 6,5…7,2 кВт), что даёт высокую производительность. Для задач, где критична масса и простота обслуживания, предпочтительна KDE401SA с воздушным компрессором KDC2000F.
При интеграции с оптическими криостатами необходимо учитывать вибрации, передаваемые от криорефрижератора. Для подавления микро-вибраций применяются гибкие гелиевые линии длиной до 20 м. Для контроля чистоты вакуумной полости криостата используется квадрупольный масс-спектрометр, позволяющий идентифицировать остаточные газы (H₂O, N₂, CO₂, углеводороды).
Принцип работы квадрупольного масс-спектрометра основан на фильтрации ионов по массам в высокочастотном электрическом поле. Это критически важно при откачке вакуумной камеры дегазации силиконов или камеры огневых испытаний, где выделяются газообразные продукты.
Заключение
GM-криорефрижераторы PRIDE Cryogenics демонстрируют конкурентоспособные характеристики, сравнимые с мировыми аналогами. Наличие типовых нагрузочных графиков упрощает инженерные расчёты для систем сжижения гелия, криостатов (включая криостаты растворения и оптические криостаты), криогенных вакуумных насосов и ВТСП-устройств.
Эффективное создание вакуума в изоляционных рубашках криогенного оборудования обеспечивается совместным использованием форвакуумных (например, насос Рутса или пластинчато-роторных сухого типа) и турбомолекулярных вакуумных насосов. При этом принцип действия криогенного насоса как альтернативы ТМН основан на конденсации газов на сверхохлаждённой поверхности, что позволяет достигать сверхвысокого вакуума без масляного загрязнения.