Крионасос

Крионасос , или «криогенный насос» — это вакуумный насос который улавливает газы и пары , конденсируя их на холодной поверхности, но эффективен только для некоторых газов. Эффективность зависит от температур замерзания и кипения газа относительно температуры крионасоса. Иногда их используют для блокирования определенных загрязнений, например, перед диффузионным насосом для улавливания обратного потока масла или перед манометром Маклеода для предотвращения попадания воды. По этой функции их называют криоловушкой , водяным насосом или холодной ловушкой , хотя физический механизм такой же, как и у крионасоса.

Криоловушка также может относиться к несколько иному эффекту, когда молекулы увеличивают время своего пребывания на холодной поверхности, фактически не замерзая ( переохлаждение ). Между столкновением молекулы с поверхностью и отскоком от нее существует задержка. Кинетическая энергия будет потеряна по мере замедления молекул. Например, водород не конденсируется при температуре 8 Кельвинов , но его можно заморозить. Это эффективно удерживает молекулы на длительный период и тем самым удаляет их из вакуумной среды, как при криооткачке.

История

Первые эксперименты по криоулавливанию газов активированным углем были проведены еще в 1874 году. ^[1]

В первых крионасосах в основном использовался жидкий гелий для охлаждения насоса либо в большом резервуаре с жидким гелием, либо путем непрерывного потока в крионасос. Однако со временем большинство крионасосов были перепроектированы для использования газообразного гелия. ^[2] стало возможным благодаря изобретению более совершенных криокуллеров . Ключевая технология охлаждения была открыта в 1950-х годах двумя сотрудниками компании Arthur D. Little Inc. , базирующейся в Массачусетсе , Уильямом Э. Гиффордом и Говардом О. МакМахоном . Эта технология стала известна как криокулер Гиффорда-МакМагона . ^[3]^[4]^[5]^[6] В 1970-х годах криокулер Гиффорда-МакМагона использовался для создания вакуумного насоса корпорацией Helix Technology Corporation и ее дочерней компанией Cryogenic Technology Inc. В 1976 году крионасосы начали использоваться в IBM . производстве интегральных схем ^[7] Использование крионасосов стало обычным явлением в производстве полупроводников во всем мире, благодаря расширению, например, компании по производству криогенной техники, 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, которые могут включать встроенный криоохладитель . К холодной головке часто прикрепляют перегородки, чтобы расширить площадь поверхности, доступной для конденсации, но они также увеличивают радиационное теплопоглощение крионасоса. Со временем поверхность насыщается конденсатом и скорость откачки постепенно падает до нуля. Он будет удерживать захваченные газы, пока остается холодным, но не будет конденсировать свежие газы от утечек или обратного потока до тех пор, пока он не будет регенерирован. Насыщение происходит очень быстро при низком вакууме, поэтому крионасосы обычно используются только в системах с высоким или сверхвысоким вакуумом.

Крионасос обеспечивает быструю и чистую откачку всех газов в 10 ⁻³ до 10 ⁻⁹ Диапазон Торра . Крионасос работает по принципу, согласно которому газы могут конденсироваться и удерживаться при чрезвычайно низком давлении пара, достигая высоких скоростей и производительности. Холодная головка состоит из двухступенчатого цилиндра холодной головки (часть вакуумного резервуара) и узла привода-вытеснителя. Вместе они производят охлаждение замкнутого цикла при температурах в диапазоне от 60 до 80 К для холодильной станции первой ступени и, как правило, от 10 до 20 К для холодильной станции второй ступени.

Некоторые крионасосы имеют несколько ступеней с разными низкими температурами, при этом внешние ступени защищают самые холодные внутренние ступени. Внешние ступени конденсируют газы с высокой температурой кипения, такие как вода и масло, тем самым экономя 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 низкой молекулярной массой. Для улавливания азота, гелия и водорода требуются чрезвычайно низкие температуры (~ 10 К) и большая площадь поверхности, как описано ниже. Даже при этой температуре более легкие газы гелий и водород имеют очень низкую эффективность улавливания и являются преобладающими молекулами в системах сверхвысокого вакуума.

Крионасосы часто комбинируют с сорбционными насосами , покрывая холодную головку высокоадсорбирующими материалами, такими как активированный уголь или цеолит . По мере насыщения сорбента эффективность сорбционного насоса снижается, но его можно перезарядить путем нагревания цеолитового материала (желательно в условиях низкого давления) для его дегазации . Температура разрушения пористой структуры цеолитного материала может ограничивать максимальную температуру, до которой его можно нагреть для регенерации.

Сорбционные насосы представляют собой разновидность крионасосов, которые часто используются в качестве форвакуумных насосов для снижения давления от атмосферного до порядка 0,1 Па (10 Па). ⁻³ Торр), тогда как более низкие давления достигаются с помощью доводочного 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 перейти из твердого состояния в газообразное и тем самым выйти из крионасоса через предохранительный клапан в атмосферу.

Большинство производственного оборудования, использующего 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 трудный природный элемент, который трудно удалить со стенок вакуумной камеры при воздействии атмосферы из-за образования монослоя и водородных связей. Добавление тепла к продувочному газу, состоящему из сухого азота, ускорит прогрев и сократит время регенерации.

Когда регенерация завершится, крионасос будет подвергнут предварительной обработке до 50 мкм (50 миллиТорр или мкм рт. ст.), изолирован, а скорость нарастания (ROR) будет контролироваться для проверки полной регенерации. Если ROR превышает 10 мкм/мин, крионасосу потребуется дополнительное время продувки.

Ссылки

^ Тейт, П.Г.; Дьюар, Джеймс (1875). «4. Предварительная заметка «О новом методе получения очень совершенного вакуума». Труды Королевского общества Эдинбурга . 8. Cambridge University Press (CUP): 348–349. doi : 10.1017/s0370164600029734 . ISSN 0370-1646 .
^ Бэхлер, Вернер Г. (1987). «Крионасосы для исследований и промышленности». Вакуум . 37 (1–2). Эльзевир Б.В.: 21–29. дои : 10.1016/0042-207x(87)90078-9 . ISSN 0042-207X .
^ Гиффорд, МЫ; Лонгсворт, Р.К. (1964), Охлаждение на импульсной трубке (PDF) , Trans. ASME, J. Eng. Индий 63, 264
^ Гиффорд, МЫ; Лонгсворт, Р.К. (1965), Поверхностный тепловой насос , Adv. Криог. англ. 11, 171
^ Лонгсворт, Р.К. (1967), Экспериментальное исследование скорости теплового откачивания холодильных установок с импульсной трубкой , Adv. Криог. англ. 12, 608
^ Мацубара, Йоичи (1994), «Холодильник с импульсной лампой» , Труды Японского общества инженеров по холодильному оборудованию и кондиционированию воздуха , 11 (2), Труды Японского общества инженеров по холодильному оборудованию и кондиционированию воздуха, Том 11, Выпуск 2, стр. 89-99: 89, Бибкод : 2011TRACE..11...89M
^ Бридвелл, MC; Родес, Дж. Г. (1985). «История современного крионасоса». Журнал вакуумной науки и технологий A: Вакуум, поверхности и пленки . 3 (3). Американское вакуумное общество: 472–475. Бибкод : 1985JVSTA...3..472B . дои : 10.1116/1.573017 . ISSN 0734-2101 .

Ван Атта, СМ; М. Хаблянян (1991) [1990]. «Вакуум и вакуумная техника» . В Эд. Рита Г. Лернер и Джордж Л. Тригг (ред.). Энциклопедия физики (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство VCH. стр. 1330–1334 . ISBN 0-89573-752-3 .
Стронг, Джон (1938). Методики экспериментальной физики . Брэдли, Иллинойс: Публикации Линдси. , Глава 3

[1] Тейт, П.Г.; Дьюар, Джеймс (1875). «4. Предварительная заметка «О новом методе получения очень совершенного вакуума». Труды Королевского общества Эдинбурга . 8. Cambridge University Press (CUP): 348–349. doi : 10.1017/s0370164600029734 . ISSN 0370-1646 .

[2] Бэхлер, Вернер Г. (1987). «Крионасосы для исследований и промышленности». Вакуум . 37 (1–2). Эльзевир Б.В.: 21–29. дои : 10.1016/0042-207x(87)90078-9 . ISSN 0042-207X .

[3] Гиффорд, МЫ; Лонгсворт, Р.К. (1964), Охлаждение на импульсной трубке (PDF) , Trans. ASME, J. Eng. Индий 63, 264

[4] Гиффорд, МЫ; Лонгсворт, Р.К. (1965), Поверхностный тепловой насос , Adv. Криог. англ. 11, 171

[5] Лонгсворт, Р.К. (1967), Экспериментальное исследование скорости теплового откачивания холодильных установок с импульсной трубкой , Adv. Криог. англ. 12, 608

[6] Мацубара, Йоичи (1994), «Холодильник с импульсной лампой» , Труды Японского общества инженеров по холодильному оборудованию и кондиционированию воздуха , 11 (2), Труды Японского общества инженеров по холодильному оборудованию и кондиционированию воздуха, Том 11, Выпуск 2, стр. 89-99: 89, Бибкод : 2011TRACE..11...89M

[7] Бридвелл, MC; Родес, Дж. Г. (1985). «История современного крионасоса». Журнал вакуумной науки и технологий A: Вакуум, поверхности и пленки . 3 (3). Американское вакуумное общество: 472–475. Бибкод : 1985JVSTA...3..472B . дои : 10.1116/1.573017 . ISSN 0734-2101 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]