クライオポンプは、低温面を使用してガスを凝縮させる真空ポンプで、凝縮ポンプとも呼ばれます。 クライオポンプとは、クリーンな真空を得るために到達圧力が最も低く、排気速度が最も高い真空ポンプです。 半導体や集積回路の研究や製造、分子線研究、真空コーティング装置、真空表面分析装置、イオン注入装置、宇宙シミュレーションなどに広く使用されています。 デバイスなど
排気原理は、液体ヘリウムによって極低温に冷却されたコールドプレートまたはクライオポンプ内の冷凍機を備えています。 それはガスを凝縮し、凝縮物の蒸気圧をポンプの到達圧力未満に保ち、ポンピング効果を達成します。 低温ポンピングの主な機能は、低温凝縮、低温吸着、低温捕捉です。
①低温凝縮：ガス分子はコールドプレートの表面または凝縮ガス層に凝縮し、平衡圧力は基本的に凝縮物の蒸気圧に等しくなります。 空気をポンピングする場合、コールドプレートの温度は 25K より低くなければなりません。 水素をポンピングすると、コールド プレートの温度が低くなります。 低温凝縮および抽出凝縮層の厚さは、約 10 mm に達することがあります。
②低温吸着：ガス分子はコールドプレート上に単分子層（10-8cmオーダー）の厚さでコーティングされた吸着剤の表面に吸着します。 吸着の平衡圧力は、同じ温度での蒸気圧よりもはるかに低くなります。 例えば、20K における水素の蒸気圧は大気圧と等しく、20K 活性炭が水素を吸収する場合、吸着平衡圧力は 10-8 Pa よりも低くなります。 これにより、より高温での極低温吸着によるポンピングが可能になります。
③極低温トラップ：抽出温度で凝縮できないガス分子は、成長する凝縮性ガス層に埋もれて吸着される。
一般的に言えば、ポンプの到達圧力は、コールド プレートの温度での凝縮ガスの蒸気圧です。 温度が 120K のとき、水の蒸気圧はすでに 10-8 Pa よりも低くなっています。温度が 20K のとき、ヘリウム、ネオン、水素を除いて、他のガスの蒸気圧も {{3} よりも低くなっています。 } Pa。ただし、ポンプで汲み上げられた容器と極低温プレートの温度が異なるため、ポンプの到達圧力は凝縮液の蒸気圧よりも高くなります。 20Kのクライオパネルを備えた室温の容器の場合、ポンプの到達圧力は凝縮液の蒸気圧の約4倍です。
型クライオポンプには、注入液体ヘリウムクライオポンプと閉回路ガスヘリウム冷凍機クライオポンプの 2 種類があります。
①液体ヘリウム注入クライオポンプ：主に液体ヘリウム容器、ポンプ本体、バッフルに接続された液体窒素キャビティから構成されています。 液体ヘリウムの消費を抑えるため、液体ヘリウム容器の外壁は二重断熱壁を採用し、その間を真空にしています。
ポンプが 10-6 Pa の圧力に予備排気されている場合、液体窒素と液体ヘリウムがポンプに注がれ、ガスは 4.2K の作業コールド プレート上で凝縮します。 プレポンピング後のヘリウムと水素の分圧は 10-12 Pa のオーダーであるため、ポンプは 10-11 Pa 未満の到達圧力を得ることができます。 6650 Pa、液体ヘリウムの温度を 2.3 K に下げることができ、下限圧力を得ることができます。
②密閉型ガスヘリウム冷凍機の極低温ポンプ：1970年代に登場した新しいタイプの極低温ポンプです（写真）。 このポンプはヘリウムを消費せず、操作が簡単で、保守も簡単で、ますます使用されています。 冷蔵庫の冷却媒体はガスヘリウムで、一次コールドプレートの温度は50-100 Kで、水蒸気を凝縮させて他のガスを予冷するために使用されます。 二次冷却板の温度は 10-20 K で、窒素、酸素、アルゴン、その他のガスの凝縮に使用されます。
二次冷却板の内面は活性炭でコーティングされています。 活性炭の比表面積は 500-2500 m2/g で、低温でヘリウム、ネオン、水素を強力に吸着します。 コールドプレートは無酸素銅製で、表面を鏡面研磨して放射率を抑えています。 ポンプの到達圧力は 10-7 ~ 10-8 Pa、使用圧力範囲は 10-1 ~ 10-7 Pa、プリポンピング圧力は 1 Pa が必要です。 .
完成品のポンプ速度は 60,000 リットル/秒 (1 リットル=10-3 m3) に達しました。 さらに、プロセスの特性に応じて、空気抽出コールドプレートをポンピングコンテナに配置でき、空気抽出速度は106リットル/秒以上に達する可能性があります。
低熱負荷 オイルポンプの熱負荷は、主にガスの凝縮熱と作動冷却板に面する周囲壁の輻射熱です。 凝縮熱はガスの種類に関係しています。 80 K および 133.322 Pa リットルの窒素の場合、20K コールド プレートでの凝縮熱は 0.3-0.6 ジュールです。
作動コールドプレートが受ける輻射熱は、周囲の壁パネルの温度の4乗と作動コールドプレートの温度の差に比例します。 したがって、4.2K および 20K の作動コールド プレートは 50-100K コールド プレートでシールドされ、作動コールド プレートが受ける放射熱を減らします。