Кріонасос — це вакуумний насос, який використовує поверхню з низькою температурою для конденсації газу, також відомий як конденсатний насос. Кріонасос — це вакуумний насос із найнижчим кінцевим тиском і найвищою швидкістю накачування для отримання чистого вакууму. Він широко використовується в дослідженнях і виробництві напівпровідників та інтегральних схем, а також дослідженнях молекулярних пучків, обладнанні для вакуумного покриття, інструментах аналізу вакуумної поверхні, іонних імплантаторах і космічному моделюванні. пристрої та ін.
Принцип насоса оснащений холодною пластиною, охолодженою до дуже низької температури рідким гелієм, або холодильником у кріонасосі. Він конденсує газ і підтримує тиск пари конденсату нижче граничного тиску насоса, щоб досягти ефекту перекачування. Основними функціями низькотемпературного насоса є низькотемпературна конденсація, низькотемпературна адсорбція та низькотемпературне захоплення.
①Низькотемпературна конденсація: молекули газу конденсуються на поверхні холодної пластини або на шарі конденсованого газу, а рівноважний тиск в основному дорівнює тиску пари конденсату. Під час перекачування повітря температура холодної пластини повинна бути нижче 25 К; при перекачуванні водню температура холодної пластини нижче. Товщина низькотемпературного шару конденсації та екстракційної конденсації може досягати близько 10 мм.
②Адсорбція при низькій температурі: молекули газу адсорбуються на поверхні адсорбенту, покритого холодною пластиною товщиною мономолекулярного шару (порядку 10-8 см). Рівноважний тиск для адсорбції значно нижчий, ніж тиск пари при тій же температурі. Наприклад, тиск пари водню при 20 К дорівнює атмосферному тиску, а адсорбційний рівноважний тиск нижчий за 10-8 Па, коли активоване вугілля при 20 К поглинає водень. Це дає можливість здійснювати відкачування методом кріогенної адсорбції при більш високих температурах.
③Кріогенне уловлювання: молекули газу, які не можуть бути конденсовані при температурі екстракції, поховані та адсорбовані зростаючим шаром конденсованого газу.
Взагалі кажучи, граничний тиск насоса - це тиск пари конденсованого газу при температурі холодної пластини. Коли температура становить 120 К, тиск пари води вже нижчий за 10-8 Па. Коли температура становить 20 К, крім гелію, неону та водню, тиск пари інших газів також нижчий за {{3} } Па. Однак через різну температуру контейнера, що перекачується, і кріогенної холодної пластини кінцевий тиск насоса вищий, ніж тиск пари конденсату. Для посудини кімнатної температури з кріопанеллю 20 К кінцевий тиск насоса приблизно в 4 рази перевищує тиск пари конденсату.
Типові кріонасоси поділяються на два типи: інжекційні рідкогелієві кріонасоси та замкнуті газові гелієві холодильні кріонасоси.
①Кріонасос із впорскуванням рідкого гелію: він в основному складається з контейнера для рідкого гелію, корпусу насоса та порожнини рідкого азоту, з’єднаної з перегородкою. Щоб зменшити споживання рідкого гелію, зовнішня стінка контейнера з рідким гелієм має двошарову теплоізоляційну стінку, а між ними вакуумується.
Коли насос попередньо накачують до тиску 10-6 Па, в нього заливають рідкий азот і рідкий гелій, і газ конденсується на робочій холодній пластині 4,2 К. Після попереднього відкачування парціальний тиск гелію та водню становить близько 10-12 Па, тому насос може досягти кінцевого тиску нижче 10-11 Па. Якщо контейнер з рідким гелієм евакуювати та декомпресувати до 6650 Па, температуру рідкого гелію можна знизити до 2,3 К, і можна отримати нижній граничний тиск.
②Кріогенний насос замкнутого газового гелієвого холодильника: це новий тип кріогенного насоса, який з’явився в 1970-х роках (на фото). Цей насос не споживає гелій, простий в експлуатації, простий в обслуговуванні і використовується все частіше. Холодильним середовищем холодильника є газ гелій, температура первинної холодної пластини 50-100K, яка використовується для конденсації водяної пари та попереднього охолодження інших газів; температура вторинної холодної пластини становить 10-20K, яка використовується для конденсації азоту, кисню, аргону та інших газів.
Внутрішня поверхня вторинної холодної пластини покрита активованим вугіллям. Питома поверхня активованого вугілля становить 500-2500 м2/г, і воно має високу адсорбційну здатність для гелію, неону та водню при низькій температурі. Холодна пластина виготовлена з безкисневої міді, а поверхня відполірована до дзеркального рівня, щоб зменшити коефіцієнт випромінювання. Граничний тиск насоса становить 10-7 ~ 10-8 Па, робочий діапазон тиску становить 10-1 ~ 10-7 Па, а тиск перед закачуванням має становити 1 Па .
Швидкість перекачування готового продукту досягла 60,000 літрів/секунду (1 літр=10-3 м3). Крім того, відповідно до характеристик процесу холодну пластину для відведення повітря можна розташувати в контейнері з насосом, а швидкість відведення повітря може досягати понад 106 літрів на секунду.
Низьке теплове навантаження Теплове навантаження масляного насоса в основному складається з тепла конденсації газу та радіаційного тепла навколишньої стінки, зверненої до робочої холодної пластини. Теплота конденсації пов'язана з типом газу. Для азоту при 80К і 133,322 Па літрів теплота конденсації на 20К холодній пластині становить 0.3-0.6 джоулів.
Випромінюване тепло, яке отримує робоча холодна пластина, пропорційна різниці між 4-м ступенем температури навколишньої стінової панелі та температури робочої холодної пластини. Тому робочі холодні пластини 4,2K і 20K захищені 50-100K холодними пластинами, щоб зменшити радіаційне тепло, яке отримують робочі холодні пластини.