Генератор паров щелочного металла Российский патент 2017 года по МПК H01J7/08 

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.

Генератор паров щелочного металла 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. Генератор паров щелочного металла содержит 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. Технический результат – повышение эксплуатационных возможностей устройства. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор паров щелочного металла, содержащий корпус с полостью для загрузки рабочего вещества с отверстием для вывода пара щелочного металла и устройство нагрева рабочего вещества, отличающийся тем, 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.

2. Генератор паров щелочного металла по п. 1, отличающийся тем, что 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.

3. Генератор паров щелочного металла по п. 1, отличающийся тем, что 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.

4. Генератор паров щелочного металла по п. 1, отличающийся тем, что корпус имеет герметизируемое вакуумное соединение с устройством потребления паров щелочного металла.

5. Генератор паров щелочного металла по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен, например, из нержавеющей стали или меди.

6. Генератор паров щелочного металла по п. 1, отличающийся тем, что запорный элемент выполнен из каленой стали.