クライオポンプは、凝縮液ポンプとも呼ばれる、ガスを凝縮させるために低温表面を使用する真空ポンプです。クライオポンプは、最高のポンピング速度と最も低い到達圧力でクリーンな真空を得ることができ、半導体や集積回路の研究と製造、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装置などの側面で広く使用されています。
ポンピング原理
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。それはガスを凝縮し、ポンプ効果を達成するために、凝縮液の蒸気圧をポンプの到達圧力以下に維持する。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ある。
(1)低温凝縮:コールドプレートの表面または凝縮ガス層上でガス分子が凝縮し、平衡圧力は凝縮液の蒸気圧と基本的に等しい。空気をポンピングするとき、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き、コールドプレートの温度は低くなります。低温凝縮・抽出凝縮層の厚さは、約10mmに達することができる。
(2)低温吸着:単分子層の厚さ(センチメートルオーダー)でコールドプレート上にコーティングされた吸着剤の表面にガス分子を吸着させる。吸着のための平衡圧力は、同じ温度での蒸気圧よりもはるかに低い。
水素の蒸気圧が20Kで大気圧に等しい場合、20K活性炭で水素を吸収したときの吸着平衡圧力はPaよりも低くなる。これにより、より高温で極低温吸着によるポンピングを行うことができる。
(3)極低温捕集:抽出温度で凝縮できないガス分子を、凝縮性ガスの成長層に埋もれて吸着させる。
一般に、ポンプの到達圧力は、コールドプレートの温度における凝縮ガスの蒸気圧である。温度が120Kのとき、水の蒸気圧はすでにPaよりも低い。ヘリウム、ネオン、水素を除く20Kの温度では、他のガスの蒸気圧もPaよりも低くなります。
しかし、ポンプ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い。
室温の容器の場合、20Kのクライオパネルで、ポンプの到達圧力は凝縮液の蒸気圧の約4倍です。