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 точек замерзания и кипения газа относительно температуры крионасоса. Иногда их используют для блокировки определенных загрязняющих веществ, например, перед диффузионным насосом для улавливания обратного потока масла или перед датчиком Маклеода для предотвращения попадания воды. В этой функции их называют криоловушкой , водяным насосом или холодной ловушкой , хотя физический механизм тот же, что и у крионасоса.
Криоловушка может также относиться к несколько иному эффекту, когда молекулы увеличивают время своего пребывания на холодной поверхности без фактического замерзания ( переохлаждение ). Существует задержка между ударом молекулы о поверхность и ее отскоком. Кинетическая энергия будет потеряна, поскольку молекулы замедляются. Например, водород не конденсируется при 8 градусах Кельвина , но его можно криоловушкой захватить. Это эффективно задерживает молекулы на длительный период и тем самым удаляет их из вакуумной среды, как и крионасос.
Первые эксперименты по криоулавливанию газов в активированном угле проводились еще в 1874 году. [1]
Первые крионасосы в основном использовали жидкий гелий для охлаждения насоса, либо в большом резервуаре с жидким гелием, либо путем непрерывной подачи в крионасос. Однако со временем большинство крионасосов были перепроектированы для использования газообразного гелия, [2] что стало возможным благодаря изобретению более совершенных криокулеров . Ключевая технология охлаждения была открыта в 1950-х годах двумя сотрудниками базирующейся в Массачусетсе компании Arthur D. Little Inc. , Уильямом Э. Гиффордом и Говардом О. Макмахоном . Эта технология стала известна как криокулер Гиффорда-Макмахона . [3] [4] [5] [6] В 1970-х годах криокулер Гиффорда-Макмахона использовался для создания вакуумного насоса корпорацией Helix Technology Corporation и ее дочерней компанией Cryogenic Technology Inc. В 1976 году крионасосы начали использоваться в производстве интегральных схем IBM . [7] Использование крионасосов стало обычным явлением в производстве полупроводников по всему миру, и в 1981 году Helix и ULVAC (яп. アルバック) основали совместную криогенную компанию.
Крионасосы обычно охлаждаются сжатым гелием, хотя они также могут использовать сухой лед , жидкий азот или автономные версии могут включать встроенный криоохладитель . Перегородки часто прикрепляются к холодной головке, чтобы расширить площадь поверхности, доступную для конденсации, но они также увеличивают поглощение лучистого 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 не будет регенерирован. Насыщение происходит очень быстро в низких вакуумах, поэтому крионасосы обычно используются только в системах высокого или сверхвысокого вакуума.
Крионасос обеспечивает быструю и чистую откачку всех газов в диапазоне от 10−3 до 10−9 Торр . Крионасос работает по принципу, согласно которому газы могут конденсироваться и удерживаться при чрезвычайно низком давлении паров, достигая высоких скоростей и производительностей. Холодная головка состоит из двухступенчатого цилиндра холодной головки (часть вакуумного сосуда) и узла вытеснителя приводного блока. Вместе они производят охлаждение замкнутого цикла при температурах, которые обычно варьируются от 60 до 80 К для первой ступени холодной станции до 10–20 К для второй ступени холодной станции.
Некоторые крионасосы имеют несколько ступеней при различных низких температурах, 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.
По мере снижения температуры охлаждения при использовании сухого льда, жидкого азота, а затем сжатого гелия можно улавливать 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 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 может быть перезаряжена путем нагревания цеолитового материала (предпочтительно в условиях низкого давления) для его дегазации . Температура разрушения пористой структуры цеолитового материала может ограничивать максимальную температуру, до которой он может быть нагрет для регенерации.
Сорбционные насосы — это тип крионасосов, которые часто используются в качестве форвакуумных насосов для снижения давления от атмосферного до порядка 0,1 Па (10−3 Торр ), в то время как более низкие давления достигаются с помощью финишного насоса (см. вакуум ).
Регенерация крионасоса — это процесс испарения захваченных газов. Во время цикла регенерации крионасос нагревается до комнатной температуры или выше, что позволяет захваченным газам перейти из твердого состояния в газообразное и, таким образом, выпустить их из крионасоса через предохранительный клапан в атмосферу.
Большинство производственного оборудования, использующего крионасос, имеет средства для изоляции крионасоса от вакуумной камеры, поэтому регенерация происходит без воздействия на вакуумную систему выделяющихся газов, таких как водяной пар. Водяной пар является самым сложным природным элементом для удаления со стенок вакуумной камеры при воздействии атмосферы из-за образования монослоя и водородных связей. Добавление тепла к сухому азотному продувочному газу ускорит прогрев и сократит время регенерации.
После завершения регенерации крионасос будет доведен до 50 мкм (50 миллиторр или мкм рт. ст.), изолирован, и будет контролироваться скорость нарастания (ROR) для проверки полноты регенерации. Если ROR превышает 10 мкм/мин, крионасосу потребуется дополнительное время продувки.