Bir kriyo pompa, aynı zamanda bir yoğuşma pompası olarak da bilinen gazı yoğunlaştırmak için düşük sıcaklıkta bir yüzey kullanan bir vakum pompasıdır. Cryopump, temiz bir vakum elde etmek için en düşük nihai basınca ve en yüksek pompalama hızına sahip vakum pompasıdır. Yarı iletkenlerin ve entegre devrelerin araştırma ve üretiminin yanı sıra moleküler ışın araştırması, vakumlu kaplama ekipmanı, vakumlu yüzey analiz cihazları, iyon implanterleri ve uzay simülasyonlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. cihazlar vb.
Pompalama prensibi, sıvı helyumla çok düşük bir sıcaklığa soğutulmuş bir soğuk plaka veya kriyo pompada bir buzdolabı ile donatılmıştır. Gazı yoğuşturur ve pompalama etkisini elde etmek için yoğuşmanın buhar basıncını pompanın nihai basıncının altında tutar. Düşük sıcaklıkta pompalamanın ana işlevleri, düşük sıcaklıkta yoğuşma, düşük sıcaklıkta adsorpsiyon ve düşük sıcaklıkta yakalamadır.
①Düşük sıcaklıkta yoğuşma: gaz molekülleri, soğuk plakanın yüzeyinde veya yoğuşmuş gaz tabakasında yoğuşur ve denge basıncı temel olarak yoğuşmanın buhar basıncına eşittir. Hava pompalarken, soğuk plakanın sıcaklığı 25K'dan düşük olmalıdır; hidrojeni pompalarken, soğuk plakanın sıcaklığı daha düşüktür. Düşük sıcaklıktaki yoğuşma ve ekstraksiyon yoğuşma tabakasının kalınlığı yaklaşık 10 mm'ye ulaşabilir.
②Düşük sıcaklıkta adsorpsiyon: Gaz molekülleri, soğuk plaka üzerinde kaplanmış adsorbanın yüzeyinde monomoleküler bir tabaka kalınlığında (10-8 cm mertebesinde) adsorbe edilir. Adsorpsiyon için denge basıncı, aynı sıcaklıktaki buhar basıncından çok daha düşüktür. Örneğin, 20K'da hidrojenin buhar basıncı atmosfer basıncına eşittir ve 20K aktif karbon hidrojeni emdiğinde adsorpsiyon denge basıncı 10-8 Pa'dan düşüktür. Bu, daha yüksek sıcaklıklarda kriyojenik adsorpsiyon yoluyla pompalama gerçekleştirmeyi mümkün kılar.
③Kriyojenik yakalama: Ekstraksiyon sıcaklığında yoğuşturulamayan gaz molekülleri, büyüyen yoğuşturulabilir gaz tabakası tarafından gömülür ve adsorbe edilir.
Genel olarak konuşursak, pompanın nihai basıncı, soğuk levha sıcaklığındaki yoğuşmuş gazın buhar basıncıdır. Sıcaklık 120K olduğunda, suyun buhar basıncı zaten 10-8 Pa'dan düşüktür. Sıcaklık 20K olduğunda, helyum, neon ve hidrojen dışında, diğer gazların buhar basıncı da {{3}'den düşüktür. } Pa. Ancak, pompalanan kabın ve kriyojenik soğuk levhanın farklı sıcaklıklarından dolayı, pompanın nihai basıncı kondensatın buhar basıncından daha yüksektir. Oda sıcaklığında, 20K kriyopaneli olan bir kap için, pompanın nihai basıncı kondensatın buhar basıncının yaklaşık 4 katıdır.
Tip kriyo pompalar iki tipe ayrılır: enjeksiyon sıvı helyum kriyo pompaları ve kapalı devre gaz helyum soğutucu kriyo pompaları.
①Enjekte sıvı helyum kriyo pompası: Esas olarak bir sıvı helyum kabı, bir pompa gövdesi ve bir bölmeye bağlı bir sıvı nitrojen boşluğundan oluşur. Sıvı helyum tüketimini azaltmak için, sıvı helyum kabının dış duvarı çift katmanlı bir ısı yalıtım duvarı benimser ve arada boşaltılır.
Pompa, 10-6 Pa'lık bir basınca önceden pompalandığında, içine sıvı nitrojen ve sıvı helyum dökülür ve gaz, 4,2K'lik çalışan soğuk plaka üzerinde yoğunlaşır. Ön pompalamadan sonra, helyum ve hidrojenin kısmi basıncı 10-12 Pa düzeyindedir, dolayısıyla pompa 10-11 Pa'nın altındaki nihai basıncı elde edebilir. 6650 Pa, sıvı helyumun sıcaklığı 2.3K'ya düşürülebilir ve daha düşük bir limit basınç elde edilebilir.
②Kapalı devre gazı helyum buzdolabının kriyojenik pompası: 1970'lerde ortaya çıkan yeni bir kriyojenik pompa türüdür (resimde). Bu pompa helyum tüketmez, kullanımı ve bakımı kolaydır ve giderek daha fazla kullanılmaktadır. Buzdolabının soğutma ortamı gaz helyumdur, birincil soğuk levhanın sıcaklığı su buharını yoğunlaştırmak ve diğer gazları önceden soğutmak için kullanılan 50-100K'dir; ikincil soğuk levhanın sıcaklığı 10-20K'dir ve nitrojen, oksijen, argon ve diğer gazları yoğunlaştırmak için kullanılır.
İkincil soğuk plakanın iç yüzeyi aktif karbon ile kaplanmıştır. Aktif karbonun özgül yüzey alanı 500-2500 m2/g'dir ve düşük sıcaklıkta helyum, neon ve hidrojen için güçlü adsorpsiyon kapasitesine sahiptir. Soğuk plaka, oksijensiz bakırdan yapılmıştır ve yüzey, emisyonu azaltmak için ayna seviyesine kadar parlatılmıştır. Pompanın nihai basıncı 10-7 ~ 10-8 Pa'dır, çalışma basıncı aralığı 10-1 ~ 10-7 Pa'dır ve ön pompalama basıncının 1 Pa olması gerekir .
Bitmiş ürünün pompalama hızı 60,000 litre/saniyeye (1 litre=10-3 m3) ulaştı. Ayrıca, işlemin özelliklerine göre, pompalanan kapta hava tahliyeli soğuk levha düzenlenebilir ve hava tahliye hızı 106 litre/saniyenin üzerine çıkabilir.
Düşük ısı yükü Yağ pompasının ısı yükü esas olarak gazın yoğuşma ısısı ve çalışan soğuk levhaya bakan çevre duvarın radyan ısısıdır. Yoğuşma ısısı gazın türü ile ilgilidir. 80K ve 133.322 Pa litredeki nitrojen için, 20K soğuk plaka üzerindeki yoğuşma ısısı 0.3-0.6 jul'dür.
Çalışan soğuk plakanın aldığı radyant ısı, çevre duvar panelinin sıcaklığının 4. kuvveti ile çalışan soğuk plakanın sıcaklığı arasındaki farkla orantılıdır. Bu nedenle, 4.2K ve 20K çalışan soğuk plakalar, çalışan soğuk plakaların aldığı radyan ısıyı azaltmak için 50-100K soğuk plakalarla korunur.