1. O princípio da extração de ar
Dentro da criobomba há uma placa fria resfriada a uma temperatura muito baixa por hélio líquido ou geladeira. Ele condensa o gás e mantém a pressão de vapor do condensado abaixo da pressão final da bomba, de modo a obter o efeito de bombeamento. As principais funções do bombeamento de baixa temperatura são condensação de baixa temperatura, adsorção de baixa temperatura e captura de baixa temperatura.
① Condensação a baixa temperatura: as moléculas de gás se condensam 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 de baixa temperatura: As moléculas de gás são adsorvidas na superfície do adsorvente revestido na placa fria com a espessura de uma camada monomolecular (na ordem de centímetros). A pressão de equilíbrio para adsorção é muito menor do que a pressão de vapor na mesma temperatura. Se a pressão de vapor do hidrogênio é igual à pressão atmosférica a 20K, a pressão de equilíbrio de adsorção é menor que Pa ao absorver hidrogênio com carvão ativado de 20K. Isso possibilita 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 camada crescente 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 120K, a pressão de vapor da água já é menor que Pa. Na temperatura de 20K, exceto para hélio, neônio e hidrogênio, as pressões de vapor de outros gases também são menores que 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 recipiente à temperatura ambiente, com um criopainel de 20 K, a pressão final da bomba é cerca de 4 vezes a pressão de vapor do condensado.
2. Tipo
As criobombas são divididas em dois tipos: criobombas de hélio líquido do tipo injeção e criobombas de refrigeração de gás hélio de circuito fechado.
Criobomba de injeção de hélio líquido
É composto principalmente por um recipiente de hélio líquido, um corpo de bomba e uma cavidade de nitrogênio líquido conectada a um defletor. Para 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 a pressão Pa, nitrogênio líquido e hélio líquido são injetados e o gás 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 Pa, de modo que a bomba pode obter a pressão final abaixo de Pa. Se o recipiente de hélio líquido for evacuado e descomprimido para 6650 Pa, a temperatura do hélio líquido pode ser reduzido para 2,3 K, e uma pressão limite inferior pode ser obtida.
Criobomba de refrigeração de gás hélio de ciclo fechado
É um novo tipo de criobomba que apareceu na década de 1970. 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 do primeiro estágio é 50-100K, e a aplicação típica é 65K, que é usada para condensar vapor d'água e pré-resfriar outros gases; a temperatura da placa fria do segundo estágio é 10-20K, que é usada para condensar nitrogênio, gases como oxigênio e argônio.
A superfície interna da placa fria secundária é revestida com carvão ativado. O carvão ativado tem forte capacidade de adsorção de hélio, neônio e hidrogênio em baixa temperatura. A placa fria é feita de cobre livre de oxigênio e a superfície é polida em um nível de espelho para reduzir a emissividade.
A pressão final da bomba é Pa, a faixa de pressão de trabalho é Pa, e a pressão de pré-bombeamento deve ser de 1 Pa. A taxa de bombeamento do produto acabado atingiu 60,000 litros/segundo. 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 chegar a mais de 106 litros/segundo.