Uma bomba criogênica é uma bomba de vácuo que usa uma superfície de baixa temperatura para condensar o gás, também conhecida como bomba de condensado. A criobomba é a bomba de vácuo com a menor pressão final e a maior taxa de bombeamento para obter um vácuo limpo. É amplamente utilizado na pesquisa e produção de semicondutores e circuitos integrados, bem como pesquisa de feixe molecular, equipamento de revestimento a vácuo, instrumentos de análise de superfície a vácuo, implantadores de íons e simulações espaciais. dispositivos, etc
O princípio de bombeamento é equipado com uma placa fria resfriada a uma temperatura muito baixa por hélio líquido ou um refrigerador na criobomba. Ele condensa o gás e mantém a pressão de vapor do condensado abaixo da pressão máxima da bomba, de modo a obter o efeito de bombeamento. As principais funções do bombeamento de baixa temperatura são condensação de baixa temperatura, absorção de baixa temperatura e captura de baixa temperatura.
①Condensação de baixa temperatura: as moléculas de gás são condensadas na superfície da placa fria ou na camada de gás condensado, e a pressão de equilíbrio é basicamente igual à pressão de vapor do condensado. Ao bombear ar, a temperatura da placa fria deve ser inferior a 25K; ao bombear hidrogênio, a temperatura da placa fria é menor. A espessura da camada de condensação de baixa temperatura e condensação de extração pode atingir cerca de 10 mm.
②Adsorção em baixa temperatura: As moléculas de gás são adsorvidas na superfície do adsorvente revestida na placa fria com uma espessura de uma camada monomolecular (10-8 ordem de cm). A pressão de equilíbrio para adsorção é muito menor que a pressão de vapor na mesma temperatura. Por exemplo, a pressão de vapor do hidrogênio a 20K é igual à pressão atmosférica e a pressão de equilíbrio de adsorção é menor que 10-8 Pa quando o carvão ativado de 20K absorve o hidrogênio. Isso permite realizar o bombeamento por adsorção criogênica em temperaturas mais altas.
③Aprisionamento criogênico: As moléculas de gás que não podem ser condensadas na temperatura de extração são enterradas e adsorvidas pela crescente camada de gás condensável.
De um modo geral, a pressão final da bomba é a pressão de vapor do gás condensado na temperatura da placa fria. Quando a temperatura é de 120K, a pressão de vapor da água já é menor que 10-8 Pa. Quando a temperatura é de 20K, exceto para hélio, neônio e hidrogênio, a pressão de vapor de outros gases também é menor que {{3} } Pa. No entanto, devido às diferentes temperaturas do recipiente bombeado e da placa fria criogênica, a pressão final da bomba é maior que a pressão de vapor do condensado. Para um vaso em temperatura ambiente, com criopainel de 20K, a pressão máxima da bomba é cerca de 4 vezes a pressão de vapor do condensado.
As criobombas do tipo são divididas em dois tipos: criobombas de hélio líquido para injeção e criobombas de refrigeração a gás de circuito fechado.
①Criobomba de hélio líquido injetado: É composta principalmente de um recipiente de hélio líquido, um corpo de bomba e uma cavidade de nitrogênio líquido conectada a um defletor. A fim de reduzir o consumo de hélio líquido, a parede externa do recipiente de hélio líquido adota uma parede de isolamento térmico de camada dupla e é evacuada no meio.
Quando a bomba é pré-bombeada para uma pressão de 10-6 Pa, nitrogênio líquido e hélio líquido são despejados nela e o gás se condensa na placa fria de trabalho de 4,2 K. Após o pré-bombeamento, a pressão parcial de hélio e hidrogênio é da ordem de 10-12 Pa, de modo que a bomba pode obter a pressão final abaixo de 10-11 Pa. Se o recipiente de hélio líquido for evacuado e descomprimido para 6650 Pa, a temperatura do hélio líquido pode ser reduzida para 2,3 K e uma pressão limite inferior pode ser obtida.
②Bomba criogênica de refrigerador de gás hélio de circuito fechado: É um novo tipo de bomba criogênica que apareceu na década de 1970 (foto). Esta bomba não consome hélio, é fácil de operar, fácil de manter e é cada vez mais utilizada. O meio de refrigeração do refrigerador é o gás hélio, a temperatura da placa fria primária é 50-100K, que é usada para condensar o vapor de água e pré-resfriar outros gases; a temperatura da placa fria secundária é 10-20K, que é usada para condensar nitrogênio, oxigênio e argônio e outros gases.
A superfície interna da placa fria secundária é revestida com carvão ativado. A área de superfície específica do carvão ativado é 500-2500 m2/g, e tem forte capacidade de adsorção de hélio, néon e hidrogênio em baixa temperatura. A placa fria é feita de cobre isento de oxigênio e a superfície é polida ao nível do espelho para reduzir a emissividade. A pressão final da bomba é 10-7 ~ 10-8 Pa, a faixa de pressão de trabalho é 10-1 ~ 10-7 Pa, e a pressão de pré-bombeamento deve ser de 1 Pa .
A taxa de bombeamento do produto acabado atingiu 60,000 litros/segundo (1 litro=10-3 m3). Além disso, de acordo com as características do processo, a placa fria de extração de ar pode ser disposta no recipiente bombeado e a taxa de extração de ar pode atingir mais de 106 litros/segundo.
Baixa carga de calor A carga de calor da bomba de óleo é principalmente o calor de condensação do gás e o calor radiante da parede circundante voltada para a placa fria de trabalho. O calor de condensação está relacionado ao tipo de gás. Para nitrogênio a 80K e 133,322 Pa litros, o calor de condensação em uma placa fria de 20K é 0,3-0,6 joules.
O calor radiante recebido pela placa fria de trabalho é proporcional à diferença entre a 4ª potência da temperatura do painel da parede circundante e a temperatura da placa fria de trabalho. Portanto, placas frias de trabalho de 4,2 K e 20 K são protegidas com placas frias 50-100K para reduzir o calor radiante recebido pelas placas frias de trabalho.