Pompa kriogeniczna to pompa próżniowa, która wykorzystuje powierzchnię o niskiej temperaturze do skraplania gazu, zwaną również pompą kondensatu. Pompa kriogeniczna to pompa próżniowa o najniższym ciśnieniu końcowym i najwyższej szybkości pompowania, aby uzyskać czystą próżnię. Jest szeroko stosowany w badaniach i produkcji półprzewodników i układów scalonych, a także w badaniach wiązek molekularnych, sprzęcie do powlekania próżniowego, instrumentach do analizy powierzchni próżniowej, implantatorach jonów i symulacjach kosmicznych. urządzenia itp.
Zasada pompowania jest wyposażona w zimną płytę schładzaną do bardzo niskiej temperatury ciekłym helem lub lodówkę w kriopompie. Skrapla gaz i utrzymuje ciśnienie pary kondensatu poniżej ostatecznego ciśnienia pompy, aby osiągnąć efekt pompowania. Główne funkcje pompowania w niskiej temperaturze to kondensacja w niskiej temperaturze, adsorpcja w niskiej temperaturze i wychwytywanie w niskiej temperaturze.
①Kondensacja w niskiej temperaturze: cząsteczki gazu są skraplane na powierzchni zimnej płyty lub na warstwie skroplonego gazu, a ciśnienie równowagi jest zasadniczo równe prężności pary kondensatu. Podczas pompowania powietrza temperatura zimnej płyty musi być niższa niż 25 K; podczas pompowania wodoru temperatura zimnej płyty jest niższa. Grubość niskotemperaturowej kondensacji i ekstrakcyjnej warstwy kondensacyjnej może osiągnąć około 10 mm.
②Adsorpcja niskotemperaturowa: Cząsteczki gazu są adsorbowane na powierzchni adsorbentu pokrytego na zimnej płycie grubością warstwy monomolekularnej (rzędu 10-8 cm). Równowagowe ciśnienie adsorpcji jest znacznie niższe niż ciśnienie pary w tej samej temperaturze. Na przykład prężność pary wodoru w 20K jest równa ciśnieniu atmosferycznemu, a ciśnienie równowagi adsorpcji jest niższe niż 10-8 Pa, gdy węgiel aktywny 20K pochłania wodór. Umożliwia to pompowanie metodą adsorpcji kriogenicznej w wyższych temperaturach.
③Pułapka kriogeniczna: Cząsteczki gazu, które nie mogą być skondensowane w temperaturze ekstrakcji, są zakopywane i adsorbowane przez rosnącą warstwę skraplającego się gazu.
Ogólnie rzecz biorąc, ciśnienie końcowe pompy jest prężnością pary skroplonego gazu w temperaturze zimnej płyty. Gdy temperatura wynosi 120 K, prężność pary wodnej jest już niższa niż 10-8 Pa. Gdy temperatura wynosi 20 K, z wyjątkiem helu, neonu i wodoru, prężność pary innych gazów jest również niższa niż {{3} } Pa. Jednak ze względu na różne temperatury pompowanego pojemnika i kriogenicznej płyty chłodzącej, ciśnienie końcowe pompy jest wyższe niż prężność pary kondensatu. W przypadku zbiornika w temperaturze pokojowej, z kriopanelem o temperaturze 20 K, końcowe ciśnienie pompy jest około 4 razy większe niż prężność pary kondensatu.
Kriopompy typu dzielą się na dwa rodzaje: kriopompy z wtryskiem ciekłego helu i kriopompy z gazem helowym z obiegiem zamkniętym do lodówek.
①Kriopompa z wtryskiem ciekłego helu: składa się głównie z pojemnika na ciekły hel, korpusu pompy i wnęki na ciekły azot połączonej z przegrodą. Aby zmniejszyć zużycie ciekłego helu, zewnętrzna ściana pojemnika z ciekłym helem przyjmuje dwuwarstwową ścianę izolacyjną i jest opróżniana pomiędzy nimi.
Gdy pompa zostanie wstępnie napompowana do ciśnienia 10-6 Pa, wlewa się do niej ciekły azot i ciekły hel, po czym gaz skrapla się na roboczej płycie zimnej o temperaturze 4,2 K. Po wstępnym pompowaniu ciśnienie cząstkowe helu i wodoru jest rzędu 10-12 Pa, więc pompa może uzyskać ciśnienie końcowe poniżej 10-11 Pa. Jeśli zbiornik z ciekłym helem zostanie opróżniony i rozprężony do 6650 Pa, temperaturę ciekłego helu można obniżyć do 2,3 K i uzyskać niższe ciśnienie graniczne.
② Pompa kriogeniczna chłodziarki z helem w obiegu zamkniętym: Jest to nowy typ pompy kriogenicznej, który pojawił się w latach 70. (na zdjęciu). Ta pompa nie zużywa helu, jest łatwa w obsłudze, łatwa w utrzymaniu i jest coraz częściej używana. Czynnikiem chłodzącym lodówki jest hel gazowy, temperatura pierwotnej zimnej płyty wynosi 50-100 K, która służy do skraplania pary wodnej i wstępnego schładzania innych gazów; temperatura wtórnej zimnej płyty wynosi 10-20K, która służy do skraplania azotu, tlenu i argonu oraz innych gazów.
Wewnętrzna powierzchnia wtórnej zimnej płyty jest pokryta węglem aktywnym. Powierzchnia właściwa węgla aktywnego wynosi 500-2500 m2/g i ma dużą zdolność adsorpcji helu, neonu i wodoru w niskiej temperaturze. Zimna płyta jest wykonana z miedzi beztlenowej, a powierzchnia jest polerowana do poziomu lustra w celu zmniejszenia emisyjności. Końcowe ciśnienie pompy wynosi 10-7 ~ 10-8 Pa, zakres ciśnień roboczych wynosi 10-1 ~ 10-7 Pa, a ciśnienie przed pompowaniem musi wynosić 1 Pa .
Szybkość pompowania gotowego produktu osiągnęła 60,000 litrów/sekundę (1 litr=10-3 m3). Ponadto, zgodnie z charakterystyką procesu, zimną płytę do ekstrakcji powietrza można umieścić w pompowanym pojemniku, a szybkość usuwania powietrza może osiągnąć ponad 106 litrów na sekundę.
Niskie obciążenie cieplne Obciążenie cieplne pompy olejowej to głównie ciepło skraplania gazu i ciepło promieniowania otaczającej ściany skierowanej w stronę roboczej zimnej płyty. Ciepło skraplania jest związane z rodzajem gazu. Dla azotu o temperaturze 80K i 133,322 Pa litrów ciepło skraplania na zimnej płycie o temperaturze 20K wynosi 0,3-0,6 dżula.
Ciepło promieniowania odbierane przez roboczą płytę zimną jest proporcjonalne do różnicy między czwartą potęgą temperatury otaczającego panelu ściennego a temperaturą roboczej płyty zimnej. Dlatego zimne płyty robocze 4,2 K i 20 K są osłonięte zimnymi płytami 50-100 K, aby zredukować ciepło promieniowania odbierane przez robocze zimne płyty.