Крионасос — это вакуумный насос, который использует низкотемпературную поверхность для конденсации газа, также известный как конденсатный насос. Крионасос — это вакуумный насос с самым низким предельным давлением и самой высокой скоростью откачки для получения чистого вакуума. Он широко используется в исследованиях и производстве полупроводников и интегральных схем, а также в исследованиях молекулярных пучков, в оборудовании для нанесения вакуумных покрытий, в приборах для вакуумного анализа поверхности, в устройствах для имплантации ионов и в космических симуляторах. устройства и т. д.
Принцип откачки заключается в использовании охлаждающей плиты, охлаждаемой до очень низкой температуры жидким гелием, или рефрижератором в крионасосе. Он конденсирует газ и удерживает давление паров конденсата ниже предельного давления насоса, чтобы достичь эффекта перекачки. Основными функциями низкотемпературной перекачки являются низкотемпературная конденсация, низкотемпературная адсорбция и низкотемпературное улавливание.
① Низкотемпературная конденсация: молекулы газа конденсируются на поверхности охлаждающей пластины или на слое конденсированного газа, а равновесное давление в основном равно давлению паров конденсата. При откачке воздуха температура охлаждающей пластины должна быть ниже 25К; при откачке водорода температура холодной пластины ниже. Толщина низкотемпературного конденсационного и экстракционно-конденсатного слоя может достигать около 10 мм.
②Низкотемпературная адсорбция: молекулы газа адсорбируются на поверхности адсорбента, нанесенного на холодную пластину толщиной мономолекулярного слоя (порядка 10-8 см). Равновесное давление для адсорбции намного ниже, чем давление пара при той же температуре. Например, давление паров водорода при 20К равно атмосферному давлению, а равновесное давление адсорбции ниже 10-8 Па, когда активированный уголь 20К поглощает водород. Это позволяет осуществлять откачку методом криогенной адсорбции при более высоких температурах.
③Криогенное улавливание: молекулы газа, которые не могут быть сконденсированы при температуре экстракции, закапываются и поглощаются растущим слоем конденсируемого газа.
Вообще говоря, предельным давлением насоса является давление паров сконденсированного газа при температуре охлаждающей плиты. При температуре 120К давление паров воды уже ниже 10-8 Па. При температуре 20К, кроме гелия, неона и водорода, давление паров других газов также ниже {{3} } Па. Однако из-за разной температуры перекачиваемой емкости и криогенной охлаждающей плиты предельное давление насоса выше, чем давление паров конденсата. Для сосуда при комнатной температуре с криопанелью 20К предельное давление насоса примерно в 4 раза превышает давление паров конденсата.
Типовые крионасосы делятся на два типа: крионасосы с инъекционным жидким гелием и холодильные крионасосы с газовым гелием замкнутого цикла.
① Крионасос с впрыском жидкого гелия: он в основном состоит из контейнера с жидким гелием, корпуса насоса и полости с жидким азотом, соединенной с перегородкой. Чтобы уменьшить потребление жидкого гелия, внешняя стенка контейнера с жидким гелием имеет двухслойную теплоизоляционную стенку, между которой вакуумируется.
При предварительной накачке насоса до давления 10-6 Па в него заливают жидкий азот и жидкий гелий, и газ конденсируется на работающей холодной пластине 4,2К. После предварительной накачки парциальное давление гелия и водорода составляет порядка 10-12 Па, поэтому насос может получить предельное давление ниже 10-11 Па. Если контейнер с жидким гелием откачать и сбросить давление до 6650 Па, температура жидкого гелия может быть снижена до 2,3 К, и может быть получено нижнее предельное давление.
②Криогенный насос замкнутого газового гелиевого холодильника: это новый тип криогенного насоса, появившийся в 1970-х годах (на фото). Этот насос не потребляет гелий, прост в эксплуатации, прост в обслуживании и находит все большее применение. Охлаждающей средой холодильника является газообразный гелий, температура первичной охлаждающей плиты 50-100К, которая используется для конденсации паров воды и предварительного охлаждения других газов; температура вторичной охлаждающей пластины составляет 10-20К, которая используется для конденсации азота, кислорода, аргона и других газов.
Внутренняя поверхность вторичной охлаждающей пластины покрыта активированным углем. Удельная площадь поверхности активированного угля составляет 500-2500 м2/г, и он обладает высокой адсорбционной способностью по отношению к гелию, неону и водороду при низких температурах. Охлаждающая пластина изготовлена из бескислородной меди, а поверхность отполирована до зеркального блеска для снижения коэффициента излучения. Предельное давление насоса составляет 10-7 ~ 10-8 Па, диапазон рабочего давления составляет 10-1 ~ 10-7 Па, а предварительное давление должно составлять 1 Па. .
Скорость перекачки готового продукта достигла 60,000 литров в секунду (1 литр=10-3 м3). Кроме того, в соответствии с характеристиками процесса охлаждающая плита для отвода воздуха может быть размещена в контейнере с насосом, а скорость отвода воздуха может достигать более 106 литров в секунду.
Низкая тепловая нагрузка Тепловая нагрузка масляного насоса в основном состоит из тепла конденсации газа и лучистого тепла окружающей стены, обращенной к работающей охлаждающей плите. Теплота конденсации зависит от типа газа. Для азота при 80К и 133,322Па литров теплота конденсации на охлаждающей плите 20К составляет 0,3-0,6 Дж.
Лучистое тепло, полученное рабочей охлаждающей плитой, пропорционально разнице между 4-й степенью температуры окружающей стеновой панели и температурой рабочей охлаждающей плиты. Таким образом, рабочие охлаждающие пластины 4,2K и 20K экранированы охлаждающими пластинами 50-100K, чтобы уменьшить лучистое тепло, получаемое рабочими охлаждающими пластинами.