Генератор паров щелочного металла

Изобретение относится к устройствам для получения паров щелочных металлов и может быть использовано для электроразрядных приборов, квантовых генераторов и других приборов с использованием паров щелочных металлов.

Известен ряд устройств для получения паров щелочных металлов, работа которых основана на экзотермической реакции восстановления солей щелочных металлов (чаще всего это хроматы или вольфраматы) металлами-восстановителями.

К недостаткам таких устройств относят то, что такие генераторы не обеспечивают высокую чистоту выделяемого пара, а также трудность контроля процесса парообразования.

Известен генератор паров щелочного металла (патент RU №2034067, «Устройство для получения паров щелочных металлов», приоритет от 09.03.1992, опубликован 30.04.1995), содержащий контейнер из токопроводящего материала с рабочим веществом и формирующую камеру, контейнер соединен с формирующей камерой каналом, а формирующая камера выполнена с отверстиями для вывода паров щелочных металлов к устройству для потребления паров. Генератор разогревают пропусканием электрического тока. При этом рабочее вещество в контейнере разлагается, и пары щелочного металла выделяются из контейнера и поступают через отверстия в объем устройства для потребления паров металла. В качестве рабочего вещества используют эквиатомные германиды щелочных металлов.

К недостаткам данного устройства следует отнести то, что получение паров щелочных металлов из их германидов сопряжено с технологическими трудностями, приводящими к значительным затратам времени для получения рабочих паров. Например, получение паров цезия из его германида происходит за 2.5 часа при температуре 400°C. Кроме того, затруднено обслуживание генератора паров и транспортировка генератора к месту загрузки металла.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является генератор паров для импульсного ионного лазера на парах металлов («Вестник южного научного центра РАН», Том 6, №4, 2010 г., стр. 24-31). В работе используются следующие металлы: Zn, Cd, Hg, Tl, Cu, Ga. Однако в качестве рабочего вещества в данном генераторе может быть использован щелочной металл.

Генератор выполнен в виде дополнительного резервуара разрядной трубки (которая в данном случае является устройством потребления паров металла) и представляет собой корпус с полостью для загрузки рабочего вещества с отверстием для вывода паров металла. Корпус генератора выполнен из того же материала, что и устройство потребления (стекло, кварц или керамика) и соединен с ним неразъемным соединением. Кроме того, генератор снабжен контролируемым и управляемым автономным нагревательным элементом для создания необходимой концентрации паров металла.

Недостатком известного устройства является ограничение эксплуатационных возможностей, связанное с:

- ограничением срока службы, который при этом не превосходит срок службы разрядной трубки;

- низкой механической прочностью данного генератора, что связано с высокой хрупкостью материала корпуса;

- отсутствием герметичности при отсоединении генератора от общего объема, что не дает возможность хранить без потерь рабочее вещество;

- затруднением обслуживания генератора паров и транспортировки генератора к месту загрузки металла.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание автономного генератора паров металла, использующего в качестве рабочего вещества щелочной металл в среде буферного газа при давлении до 50 атм и с возможностью герметизации от агрессивной внешней среды.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, выражается в повышении эксплуатационных возможностей за счет:

- выполнения генератора автономным, что дает возможность переносить его к месту загрузки щелочным металлом;

- обеспечения герметизации от агрессивной внешней среды, что дает возможность максимально снизить потери щелочного металла от коррозии;

- возможности использовать устройство при давлении до 50 атм при повышении механической прочности корпуса устройства;

- повышения срока службы, связанного с возможностью разборки и чистки генератора.

Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе паров щелочного металла, содержащем корпус с полостью для загрузки рабочего вещества с отверстием для вывода пара щелочного металла и устройство нагрева рабочего вещества, новым является то, что генератор содержит запорный элемент, который имеет возможность герметичного перекрытия отверстия для вывода пара, при этом корпус выполнен из материалов, устойчивых к щелочным металлам, высокому давлению (до 50 атм) и нагреву до 200°C.

Запорный элемент выполнен в виде цилиндрического штока, имеющего резьбовое соединение с корпусом генератора паров щелочного металла, при этом на торце штока расположен участок конической формы.

Запорный элемент выполнен с возможностью его герметичного перемещения вдоль оси корпуса за счет вращения в резьбовом соединении с корпусом, при этом уплотнение запорного элемента с корпусом осуществляется уплотнительной втулкой, выполненной из фторопласта.

Корпус имеет герметизируемое вакуумное соединение с устройством потребления паров щелочного металла.

Корпус выполнен из нержавеющей стали или меди.

Запорный элемент выполнен из каленой стали.

Введение в генератор запорного элемента, который имеет возможность герметичного перекрытия отверстия для вывода пара, позволяет длительное время хранить и безопасно транспортировать рабочее вещество к устройству потребления паров щелочного металла без его потерь, возникающих при химическом взаимодействии с воздухом. Кроме того, обеспечивается автономность генератора, что позволяет производить оперативную замену рабочего вещества, не разбирая устройство потребления паров щелочного металла.

Исполнение корпуса генератора из материалов, устойчивых к щелочным металлам, высокому давлению (до 50 атм) и нагреву до 200°C позволяет использовать в качестве рабочего вещества генератора щелочные металлы K, Rb, Cs в среде буферных газов (He, Ar, CH₄) под давлением до 50 атм.

В ряде случаев (для различных устройств потребления паров щелочных металлов) необходима концентрация паров ~10¹³-10¹⁵ частиц в см³, что достигается нагревом металла до 200°C.

Исполнение запорного элемента в виде цилиндрического штока с торцевым участком конической формы, имеющего резьбовое соединение с корпусом генератора пара щелочного металла, а также то, что запорный элемент выполнен с возможностью его герметичного перемещения вдоль оси корпуса за счет вращения в резьбовом соединении с корпусом позволяет использовать данный генератор при работе в вакууме и при высоком давлении до 50 атм.

Наличие герметизируемого вакуумного соединения корпуса генератора с устройством потребления паров щелочного металла позволяет осуществить герметичное присоединение генератора к устройству потребления паров щелочного металла.

Уплотнение запорного элемента с корпусом и уплотнительной втулкой, выполненной из фторопласта, позволяет осуществлять герметичное запирание внутренней полости для загрузки щелочного металла.

Выполнение корпуса из нержавеющей стали или меди позволяет использовать в качестве рабочего вещества генератора химически агрессивные щелочные металлы, кроме того, высокая теплопроводность материалов корпуса позволяет эффективно передавать тепло от нагревателя через корпус генератора к рабочему веществу.

Выполнение подвижного штока из каленой стали с высокой твердостью по отношению к материалу корпуса в зоне уплотнения позволяет многократно герметизировать генератор.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фигуре изображен общий вид генератора паров щелочного металла в разрезе, где:

1 - металлический корпус;

2 - полость для загрузки рабочего вещества;

3 - отверстие для вывода пара щелочного металла;

4 - запорный элемент (цилиндрический шток);

5 - резьбовое соединение;

6 - уплотнительная втулка;

7 - уплотнительная шайба;

8 - устройство нагрева рабочего вещества (нагреватель);

9 - уплотнительный шип.

Заявляемый генератор паров щелочного металла содержит составной металлический корпус 1, выполненный из нержавеющей стали или меди, с полостью 2 для загрузки щелочного металла, в нижней части которой имеется сквозное выходное отверстие 3 для вывода пара щелочного металла. Сквозное отверстие 3 запирается подвижным цилиндрическим штоком 4, выполненным из каленой стали с торцевым участком конической формы. Открывание полости для загрузки щелочного металла осуществляется при поднятии подвижного штока 4 за счет его вращения в резьбовом соединении 5 с корпусом 1 генератора паров щелочного металла. Подвижный шток 4 имеет герметичное вакуумное уплотнение с корпусом 1 по уплотнительной втулке 6, таким образом, что подвижный шток 4 в закрытом состоянии обеспечивает полную герметизацию полости 2 для загрузки щелочного металла. Уплотнительная втулка 6 выполняется из фторопласта. Герметизация уплотнительной втулки 6 с подвижным штоком 4 осуществляется за счет задавливания втулки 6 шайбой уплотнительной 7. Нагреватель 8, оснащенный устройством контроля и управления температуры и скорости нагрева, устанавливается на корпус 1 генератора и обеспечивает нагрев полости 2 до необходимой температуры для получения требуемой концентрации паров щелочного металла. Кроме того, корпус 1 имеет герметизируемое по уплотнительному шипу 9 вакуумное соединение с устройством потребления паров щелочного металла.

Генератор работает следующим образом. Загрузка рабочего вещества в полость 2 осуществляется в специальном перчаточном боксе, заполненном сверхчистым аргоном под давлением в 1 атм и при комнатной температуре. После загрузки щелочного металла шток 4 запирает выходное отверстие 3 и генератор вынимается из аргонового бокса и устанавливается в конструкцию устройства потребления паров щелочного металла. Металл, расположенный в полости 2, нагревают с помощью нагревателя 8 до температуры, соответствующей оптимальной концентрации паров металла для данного устройства потребления. Затем после проверки герметичности соединения генератора с устройством потребления выходное отверстие 3 открывается и пары металла поступают в устройство потребления через выходное отверстие 3. По достижении необходимой концентрации паров металла в устройстве потребления выходное отверстие 3 запирается и генератор полностью герметизируется от устройства потребления.

В примере конкретной реализации для получения паров цезия в качестве рабочего вещества использовали особо чистый металлический цезий с чистотой 99,9965% в среде буферного газа гелия при давлении 20 атм. Генератор нагревали до температуры 120 градусов. Корпус генератора выполнен из стали 12Х18Н10Т (твердость стали <20 HRC). Устройство запирания (шток) выполнен из каленой стали 14Х17Н2 (твердость стали 30-40 HRC). Уплотнительная втулка выполнена из фторопласта марки Ф4. В качестве нагревателя использовался резистивный нагреватель мощностью 80 Вт.