Крионасос - Cryopump

А крионасос или «криогенный насос» - это вакуумный насос это ловушки газы и пары путем конденсации их на холодной поверхности, но они эффективны только для некоторых газов. Эффективность зависит от точек замерзания и кипения газа по отношению к температуре крионасоса. Иногда их используют для блокировки определенных загрязнений, например, перед диффузионный насос задерживать масло в обратном направлении или перед Датчик Маклеода не допускать попадания воды. В этой функции они называются криоловушка, Помпа или холодная ловушка, хотя физический механизм такой же, как у крионасоса.

Криотреппинг может также относиться к несколько иному эффекту, когда молекулы увеличивают время своего пребывания на холодной поверхности без фактического замерзания (переохлаждение ). Существует задержка между столкновением молекулы с поверхностью и отскоком от нее. Кинетическая энергия будет потеряна по мере замедления молекул. Например, водород не конденсируется при 8 кельвины, но его можно заморозить. Это эффективно улавливает молекулы в течение длительного периода и тем самым удаляет их из вакуумной среды, как при крионасосе.

История

Ранние эксперименты по криозащите газов в активированный уголь проводились еще в 1874 году.[1]

Первые крионасосы в основном использовались жидкий гелий для охлаждения насоса либо в большом резервуаре с жидким гелием, либо путем непрерывного потока в крионасос. Однако со временем большинство крионасосов были модернизированы для использования газообразного гелия,[2] стало возможным благодаря изобретению лучшего криокулеры. Ключевая технология охлаждения была открыта в 1950-х годах двумя сотрудниками компании из Массачусетса. Артур Д. Литтл Inc., Уильям Э. Гиффорд и Ховард О. МакМахон. Эта технология стала известна как Криоохладитель Gifford-McMahon. В 1970-х криокулер Gifford-McMahon использовался для изготовления вакуумного насоса компанией Helix Technology Corporation и ее дочерней компанией Cryogenic Technology Inc. В 1976 году крионасосы начали использоваться в IBM производство интегральных схем.[3] Использование крионасосов стало обычным явлением в производстве полупроводников во всем мире с расширением, например, криогенной компанией, основанной совместно Helix и ULVAC (jp: ア ル バ ッ ク ) в 1981 году.

Операция

Крионасосы обычно охлаждаются сжатым гелием, хотя они также могут использовать сухой лед. жидкий азот, или автономные версии могут включать встроенный криокулер. К холодной головке часто прикрепляют перегородки, чтобы увеличить площадь поверхности, доступную для конденсации, но они также увеличивают поглощение тепла крионасосом. Со временем поверхность в конечном итоге насыщается конденсатом, и, таким образом, скорость откачки постепенно падает до нуля. Он будет удерживать захваченные газы, пока он остается холодным, но он не будет конденсировать свежие газы из утечек или обратного потока, пока он не будет регенерирован. Насыщение происходит очень быстро при низком вакууме, поэтому крионасосы обычно используются только в системах высокого или сверхвысокого вакуума.

Крионасос обеспечивает быструю и чистую откачку всех газов в 10−3 до 10−9 Торр ассортимент. Принцип работы крионасоса заключается в том, что газы могут конденсироваться и удерживаться при чрезвычайно низком давлении пара, обеспечивая высокую скорость и производительность. Холодная головка состоит из двухступенчатого цилиндра с холодной головкой (часть вакуумного резервуара) и узла привода вытеснителя. Вместе они производят охлаждение замкнутого цикла при температурах в диапазоне от 60 до 80 К для первой ступени холода и от 10 до 20 К для второй ступени охлаждения, как правило.

Некоторые крионасосы имеют несколько ступеней при различных низких температурах, при этом внешние ступени защищают самые холодные внутренние ступени. На внешних ступенях конденсируются газы с высокой точкой кипения, такие как вода и масло, что позволяет сэкономить площадь поверхности и холодопроизводительность внутренних ступеней для газов с более низкой температурой кипения, таких как азот.

Поскольку температура охлаждения снижается при использовании сухого льда, жидкого азота, а затем сжатого гелия, могут улавливаться газы с более низким молекулярным весом. Улавливание азота, гелия и водорода требует чрезвычайно низких температур (~ 10 К) и большой площади поверхности, как описано ниже. Даже при этой температуре более легкие газы гелий и водород имеют очень низкую эффективность захвата и являются преобладающими молекулами в системах сверхвысокого вакуума.

Крионасосы часто сочетаются с сорбционные насосы путем покрытия холодной головки материалами с высокой адсорбцией, такими как активированный уголь или цеолит. Поскольку сорбент насыщается, эффективность сорбционного насоса снижается, но его можно перезарядить, нагревая цеолитный материал (предпочтительно в условиях низкого давления) до выхлопные газы Это. Температура разрушения пористой структуры цеолитного материала может ограничивать максимальную температуру, до которой он может быть нагрет для регенерации.

Сорбционные насосы - это тип крионасоса, который часто используется в качестве форвакуумных насосов для снижения давления от атмосферного до порядка 0,1. Па (10−3 Торр), а более низкие давления достигаются с помощью чистового насоса (см. вакуум ).

Регенерация

Регенерация крионасоса - это процесс испарения захваченных газов. Во время цикла регенерации крионасос нагревается до комнатной температуры или выше, позволяя захваченным газам переходить из твердого состояния в газообразное и тем самым выходить из крионасоса через предохранительный клапан в атмосферу.

Большинство производственного оборудования, в котором используется крионасос, имеют средства для изоляции крионасоса от вакуумной камеры, поэтому регенерация происходит без воздействия на вакуумную систему выделяющихся газов, таких как водяной пар. Водяной пар - самый сложный природный элемент для удаления со стенок вакуумной камеры при воздействии атмосферы из-за образования монослоя и водородных связей. Добавление тепла к сухому продувочному газу азота ускорит прогрев и сократит время регенерации.

По завершении регенерации крионасос будет подвергнут грубой обработке до 50 мкм (50 миллиТорр или мкм рт. Ст.), Изолирован и будет контролироваться скорость нарастания (ROR) для проверки полной регенерации. Если ROR превышает 10 мкм / мин, крионасосу потребуется дополнительное время для продувки.

использованная литература

  1. ^ Tait, P. G .; Дьюар, Джеймс (1875). «4. Предварительная записка« О новом методе получения очень совершенного Vacua ». Труды Королевского общества Эдинбурга. Издательство Кембриджского университета (CUP). 8: 348–349. Дои:10,1017 / с0370164600029734. ISSN  0370-1646.
  2. ^ Бахлер, Вернер Г. (1987). «Крионасосы для исследований и промышленности». Вакуум. Elsevier BV. 37 (1–2): 21–29. Дои:10.1016 / 0042-207x (87) 90078-9. ISSN  0042-207X.
  3. ^ Bridwell, M.C .; Родес, Дж. Г. (1985). «История современного крионасоса». Журнал вакуумной науки и технологий A: вакуум, поверхности и пленки. Американское вакуумное общество. 3 (3): 472–475. Дои:10.1116/1.573017. ISSN  0734-2101.

внешняя ссылка