1.空気抽出の原理
クライオポンプの内部には、液体ヘリウムまたは冷蔵庫によって非常に低温に冷却されたコールドプレートがあります。 ガスを凝縮し、凝縮液の蒸気圧をポンプの極限圧力以下に保ち、ポンプ効果を実現します。 低温ポンピングの主な機能は、低温凝縮、低温吸着、および低温捕捉です。
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液の蒸気圧に等しくなります。 空気を汲み上げるときは、コールドプレートの温度を25K未満にする必要があります。 水素を汲み上げるとき、コールドプレートの温度は低くなります。 低温凝縮および抽出凝縮層の厚さは約10mmに達する可能性があります。
②低温吸着：コールドプレートにコーティングされた吸着剤の表面に、単分子層の厚さ（センチメートル程度）でガス分子を吸着させます。 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。 水素の蒸気圧が20Kで大気圧に等しい場合、20Kの活性炭で水素を吸収するときの吸着の平衡圧力はPaよりも低くなります。 これにより、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：抽出温度では凝縮できないガス分子は、凝縮性ガスの成長層に埋もれて吸着されます。
一般的に、ポンプの極限圧力は、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Paより低くなっています。20Kの温度では、ヘリウム、ネオン、水素を除いて、他のガスの蒸気圧もPaより低くなっています。
ただし、ポンプ容器と極低温コールドプレートの温度が異なるため、ポンプの極限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、ポンプの最大圧力は凝縮液の蒸気圧の約4倍です。
2.タイプします
クライオポンプは、注入型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種類に分けられます。
注入液体ヘリウムクライオポンプ
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で構成されています。 液体ヘリウムの消費量を減らすために、液体ヘリウム容器の外壁は二重層の断熱壁を採用し、その間に排気されます。
ポンプがPa圧力まで事前にポンプされると、液体窒素と液体ヘリウムが注入され、ガスは4.2Kの作動コールドプレート上で凝縮します。 プレポンプ後、ヘリウムと水素の分圧はPaのオーダーであるため、ポンプはPa未満の最大圧力を得ることができます。液体ヘリウム容器を排気して6650 Paに減圧すると、液体ヘリウムの温度は次のようになります。 2.3Kまで下げると下限圧力が得られます。
クローズドサイクルガスヘリウム冷凍機クライオポンプ
1970年代に登場した新しいタイプのクライオポンプです。 このポンプはヘリウムを消費せず、操作が簡単で、メンテナンスが簡単で、ますます使用されています。 冷凍機の冷凍媒体はガスヘリウムで、第1段コールドプレートの温度は50-100 Kで、一般的な用途は65Kで、水蒸気を凝縮し、他のガスを予冷するために使用されます。 第2ステージのコールドプレートの温度は10-20Kで、窒素、酸素、アルゴンなどのガスを凝縮するために使用されます。
二次コールドプレートの内面は活性炭でコーティングされています。 活性炭は、低温でヘリウム、ネオン、水素に対して強い吸着能力を持っています。 コールドプレートは無酸素銅でできており、放射率を下げるために表面が鏡面に研磨されています。
ポンプの最大圧力はPa、使用圧力範囲はPa、プレポンプ圧力は1 Paである必要があります。完成品のポンプ速度は、60、000リットル/秒に達しました。 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プ容器に配置することができ、空気抽出速度は106リットル/秒以上に達することができます。