En kryopumpe er en vakuumpumpe, der bruger en lavtemperaturoverflade til at kondensere gas, også kendt som en kondensatpumpe. Kryopumpen er vakuumpumpen med det laveste sluttryk og den højeste pumpehastighed for at opnå et rent vakuum. Det er meget udbredt i forskning og produktion af halvledere og integrerede kredsløb, såvel som molekylær stråleforskning, vakuumbelægningsudstyr, vakuumoverfladeanalyseinstrumenter, ionimplantater og rumsimuleringer. enheder mv.
Pumpeprincippet er udstyret med en kold plade afkølet til en meget lav temperatur af flydende helium eller et køleskab i kryopumpen. Det kondenserer gassen og holder kondensatets damptryk under pumpens sluttryk for at opnå pumpeeffekten. Hovedfunktionerne ved lavtemperaturpumpning er lavtemperaturkondensering, lavtemperaturadsorption og lavtemperaturindfangning.
①Lavtemperaturkondensering: Gasmolekyler kondenseres på overfladen af den kolde plade eller på det kondenserede gaslag, og ligevægtstrykket er stort set lig med kondensatets damptryk. Ved pumpning af luft skal koldpladens temperatur være lavere end 25K; ved pumpning af brint er temperaturen på den kolde plade lavere. Tykkelsen af lavtemperatur kondensation og ekstraktion kondensation laget kan nå omkring 10 mm.
②Lavtemperaturadsorption: Gasmolekylerne adsorberes på overfladen af adsorbenten, der er coatet på den kolde plade med en tykkelse af et monomolekylært lag (10-8 cm orden). Ligevægtstrykket for adsorption er meget lavere end damptrykket ved samme temperatur. For eksempel er damptrykket af brint ved 20K lig med atmosfærisk tryk, og adsorptionsligevægtstrykket er lavere end 10-8 Pa, når 20K aktivt kul absorberer brint. Dette gør det muligt at udføre pumpning ved kryogen adsorption ved højere temperaturer.
③ Kryogenisk fangst: Gasmolekyler, der ikke kan kondenseres ved ekstraktionstemperaturen, begraves og adsorberes af det voksende lag af kondenserbar gas.
Generelt set er pumpens endelige tryk damptrykket af den kondenserede gas ved temperaturen på den kolde plade. Når temperaturen er 120K, er vandets damptryk allerede lavere end 10-8 Pa. Når temperaturen er 20K, bortset fra helium, neon og brint, er damptrykket for andre gasser også lavere end {{3} } Pa. Men på grund af de forskellige temperaturer i den pumpede beholder og den kryogene kolde plade, er pumpens sluttryk højere end kondensatets damptryk. For en beholder ved stuetemperatur, med et kryopanel på 20K, er pumpens sluttryk ca. 4 gange kondensatets damptryk.
Type kryopumper er opdelt i to typer: Injektion flydende helium kryopumper og lukket kredsløb gas helium køleskab kryopumper.
①Injiceret flydende helium kryopumpe: Den består hovedsageligt af en flydende heliumbeholder, et pumpehus og et flydende nitrogenhulrum forbundet med en skærm. For at reducere forbruget af flydende helium, antager ydervæggen af den flydende heliumbeholder en dobbeltlags termisk isoleringsvæg og evakueres ind imellem.
Når pumpen er forpumpet til et tryk på 10-6 Pa, hældes flydende nitrogen og flydende helium i den, og gassen kondenserer på den arbejdende kolde plade på 4,2K. Efter forpumpning er partialtrykket af helium og brint i størrelsesordenen 10-12 Pa, så pumpen kan opnå det ultimative tryk under 10-11 Pa. Hvis den flydende heliumbeholder evakueres og dekomprimeres til 6650 Pa, kan temperaturen af det flydende helium reduceres til 2,3K, og et nedre grænsetryk kan opnås.
②Kryogen pumpe til gashelium-køleskab med lukket kredsløb: Det er en ny type kryogen pumpe, der dukkede op i 1970'erne (billedet). Denne pumpe forbruger ikke helium, er nem at betjene, nem at vedligeholde og bruges i stigende grad. Køleskabets kølemedium er gashelium, temperaturen på den primære kolde plade er 50-100K, som bruges til at kondensere vanddamp og forkøle andre gasser; temperaturen på den sekundære kolde plade er 10-20K, som bruges til at kondensere nitrogen, oxygen og argon og andre gasser.
Den indvendige overflade af den sekundære kolde plade er belagt med aktivt kul. Det specifikke overfladeareal af aktivt kul er 500-2500 m2/g, og det har en stærk adsorptionskapacitet for helium, neon og hydrogen ved lav temperatur. Den kolde plade er lavet af iltfrit kobber, og overfladen er poleret til spejlniveau for at reducere emissiviteten. Pumpens sluttryk er 10-7 ~ 10-8 Pa, arbejdstrykområdet er 10-1 ~ 10-7 Pa, og forpumpningstrykket skal være 1 Pa .
Pumpehastigheden for det færdige produkt har nået 60,000 liter/sekund (1 liter=10-3 m3). I henhold til processens karakteristika kan den kolde plade til luftudsugningen desuden arrangeres i den pumpede beholder, og luftudvindingshastigheden kan nå mere end 106 liter/sekund.
Lav varmebelastning Oliepumpens varmebelastning er hovedsageligt gassens kondensationsvarme og strålevarmen fra den omgivende væg, der vender mod den arbejdende kolde plade. Kondensationsvarmen er relateret til typen af gas. For nitrogen ved 80K og 133.322 Pa liter er kondensationsvarmen på en 20K kold plade 0.3-0,6 joule.
Strålingsvarmen modtaget af den arbejdende kolde plade er proportional med forskellen mellem 4. potens af temperaturen på det omgivende vægpanel og temperaturen på den arbejdende kolde plade. Derfor er 4,2K og 20K arbejdende kolde plader afskærmet med 50-100K kolde plader for at reducere strålevarmen modtaget af de arbejdende kolde plader.