Een cryopomp is een vacuümpomp die een oppervlak met een lage temperatuur gebruikt om gas te condenseren, ook wel condensaatpomp genoemd. De cryopomp is de vacuümpomp met de laagste einddruk en de hoogste pompsnelheid om een schoon vacuüm te verkrijgen. Het wordt veel gebruikt bij het onderzoek naar en de productie van halfgeleiders en geïntegreerde schakelingen, maar ook bij onderzoek naar moleculaire bundels, apparatuur voor vacuümcoating, instrumenten voor vacuümoppervlakanalyse, ionenimplantators en ruimtesimulaties. apparaten, enz.
Het pompprincipe is uitgerust met een koude plaat die tot zeer lage temperatuur wordt gekoeld door vloeibaar helium of een koelkast in de cryopomp. Het condenseert het gas en houdt de dampdruk van het condensaat onder de einddruk van de pomp om het pompeffect te bereiken. De belangrijkste functies van pompen bij lage temperatuur zijn condensatie bij lage temperatuur, adsorptie bij lage temperatuur en opvang bij lage temperatuur.
①Lage temperatuurcondensatie: gasmoleculen worden gecondenseerd op het oppervlak van de koude plaat of op de gecondenseerde gaslaag en de evenwichtsdruk is in principe gelijk aan de dampdruk van het condensaat. Bij het verpompen van lucht moet de temperatuur van de koude plaat lager zijn dan 25K; bij het verpompen van waterstof is de temperatuur van de koude plaat lager. De dikte van de condensatie- en extractiecondensatielaag bij lage temperatuur kan ongeveer 10 mm bedragen.
②Lage-temperatuuradsorptie: de gasmoleculen worden geadsorbeerd op het oppervlak van het adsorbens dat op de koude plaat is gecoat met een dikte van een monomoleculaire laag (10-8 cm orde). De evenwichtsdruk voor adsorptie is veel lager dan de dampdruk bij dezelfde temperatuur. De dampdruk van waterstof bij 20K is bijvoorbeeld gelijk aan de atmosferische druk en de adsorptie-evenwichtsdruk is lager dan 10-8 Pa wanneer 20K actieve kool waterstof absorbeert. Hierdoor is het mogelijk om door cryogene adsorptie te pompen bij hogere temperaturen.
③ Cryogeen vangen: Gasmoleculen die niet kunnen worden gecondenseerd bij de extractietemperatuur worden begraven en geadsorbeerd door de groeiende laag condenseerbaar gas.
Over het algemeen is de uiteindelijke druk van de pomp de dampdruk van het gecondenseerde gas bij de temperatuur van de koude plaat. Als de temperatuur 120K is, is de dampspanning van water al lager dan 10-8 Pa. Als de temperatuur 20K is, behalve voor helium, neon en waterstof, is de dampspanning van andere gassen ook lager dan {{3} } Pa. Door de verschillende temperaturen van het verpompte vat en de cryogene koude plaat is de einddruk van de pomp echter hoger dan de dampdruk van het condensaat. Voor een vat op kamertemperatuur, met een cryopaneel van 20K, is de einddruk van de pomp ongeveer 4 keer de dampdruk van het condensaat.
Type cryopompen zijn onderverdeeld in twee typen: injectie vloeibare helium cryopompen en gesloten circuit gas helium koelkast cryopompen.
①Cryopump met geïnjecteerd vloeibaar helium: het bestaat voornamelijk uit een container met vloeibaar helium, een pomplichaam en een holte met vloeibare stikstof die is verbonden met een schot. Om het verbruik van vloeibaar helium te verminderen, neemt de buitenwand van de container met vloeibaar helium een dubbellaagse thermische isolatiewand aan en wordt daartussen geëvacueerd.
Wanneer de pomp wordt voorgepompt tot een druk van 10-6 Pa, worden er vloeibare stikstof en vloeibaar helium in gegoten en condenseert het gas op de werkende koude plaat van 4,2K. Na voorpompen is de partiële druk van helium en waterstof in de orde van 10-12 Pa, zodat de pomp de uiteindelijke druk onder 10-11 Pa kan bereiken. Als de container met vloeibaar helium wordt geëvacueerd en gedecomprimeerd tot 6650 Pa, kan de temperatuur van het vloeibare helium worden verlaagd tot 2,3 K en kan een lagere limietdruk worden verkregen.
②Cryogene pomp van een gas-heliumkoelkast met gesloten circuit: het is een nieuw type cryogene pomp die verscheen in de jaren 70 (foto). Deze pomp verbruikt geen helium, is eenvoudig te bedienen, gemakkelijk te onderhouden en wordt steeds vaker gebruikt. Het koelmedium van de koelkast is heliumgas, de temperatuur van de primaire koude plaat is 50-100K, die wordt gebruikt om waterdamp te condenseren en andere gassen voor te koelen; de temperatuur van de secundaire koude plaat is 10-20K, die wordt gebruikt om stikstof, zuurstof en argon en andere gassen te condenseren.
Het binnenoppervlak van de secundaire koude plaat is gecoat met actieve kool. Het specifieke oppervlak van actieve kool is 500-2500 m2/g en het heeft een sterke adsorptiecapaciteit voor helium, neon en waterstof bij lage temperatuur. De koude plaat is gemaakt van zuurstofvrij koper en het oppervlak is spiegelglad gepolijst om de emissiviteit te verminderen. De uiteindelijke druk van de pomp is 10-7 ~ 10-8 Pa, het werkdrukbereik is 10-1 ~ 10-7 Pa en de voorpompdruk moet 1 Pa zijn .
De pompsnelheid van het eindproduct heeft 60,000 liter/seconde (1 liter=10-3 m3) bereikt. Bovendien kan, afhankelijk van de kenmerken van het proces, de koude plaat voor luchtextractie in de gepompte container worden geplaatst en kan de luchtextractiesnelheid meer dan 106 liter / seconde bedragen.
Lage warmtebelasting De warmtebelasting van de oliepomp is voornamelijk de condensatiewarmte van het gas en de stralingswarmte van de omringende muur die naar de werkende koude plaat is gericht. De condensatiewarmte is gerelateerd aan het type gas. Voor stikstof bij 80K en 133,322 Pa liter is de condensatiewarmte op een 20K koude plaat 0,3-00,6 joule.
De door de werkende koude plaat ontvangen stralingswarmte is evenredig met het verschil tussen de 4e macht van de temperatuur van het omringende wandpaneel en de temperatuur van de werkende koude plaat. Daarom zijn 4,2K en 20K werkende koude platen afgeschermd met 50-100K koude platen om de stralingswarmte te verminderen die door de werkende koude platen wordt ontvangen.