Una bomba criogénica es una bomba de vacío que utiliza una superficie de baja temperatura para condensar el gas, también conocida como bomba de condensado. La criobomba es la bomba de vacío con la presión final más baja y la tasa de bombeo más alta para obtener un vacío limpio. Es ampliamente utilizado en la investigación y producción de semiconductores y circuitos integrados, así como en la investigación de haces moleculares, equipos de revestimiento al vacío, instrumentos de análisis de superficies al vacío, implantadores de iones y simulaciones espaciales. dispositivos, etc
El principio de bombeo está equipado con una placa fría enfriada a muy baja temperatura por helio líquido o un refrigerador en la criobomba. Condensa el gas y mantiene la presión de vapor del condensado por debajo de la presión final de la bomba, para lograr el efecto de bombeo. Las funciones principales del bombeo a baja temperatura son la condensación a baja temperatura, la adsorción a baja temperatura y la captura a baja temperatura.
①Condensación a baja temperatura: las moléculas de gas se condensan en la superficie de la placa fría o en la capa de gas condensado, y la presión de equilibrio es básicamente igual a la presión de vapor del condensado. Al bombear aire, la temperatura de la placa fría debe ser inferior a 25K; al bombear hidrógeno, la temperatura de la placa fría es más baja. El espesor de la capa de condensación de extracción y condensación a baja temperatura puede alcanzar unos 10 mm.
②Adsorción a baja temperatura: las moléculas de gas se adsorben en la superficie del adsorbente recubierto en la placa fría con un espesor de una capa monomolecular (orden de 10-8 cm). La presión de equilibrio para la adsorción es mucho menor que la presión de vapor a la misma temperatura. Por ejemplo, la presión de vapor del hidrógeno a 20K es igual a la presión atmosférica y la presión de equilibrio de adsorción es inferior a 10-8 Pa cuando el carbón activado de 20K absorbe hidrógeno. Esto hace posible realizar bombeos por adsorción criogénica a temperaturas más altas.
③Atrapamiento criogénico: las moléculas de gas que no pueden condensarse a la temperatura de extracción quedan enterradas y adsorbidas por la capa creciente de gas condensable.
En términos generales, la presión máxima de la bomba es la presión de vapor del gas condensado a la temperatura de la placa fría. Cuando la temperatura es de 120 K, la presión de vapor del agua ya es inferior a 10-8 Pa. Cuando la temperatura es de 20 K, a excepción del helio, el neón y el hidrógeno, la presión de vapor de otros gases también es inferior a {{3} } Pa. Sin embargo, debido a las diferentes temperaturas del recipiente bombeado y la placa fría criogénica, la presión final de la bomba es mayor que la presión de vapor del condensado. Para un recipiente a temperatura ambiente, con un criopanel de 20K, la presión máxima de la bomba es aproximadamente 4 veces la presión de vapor del condensado.
Las criobombas de tipo se dividen en dos tipos: criobombas de inyección de helio líquido y criobombas de refrigerador de helio de gas de circuito cerrado.
①Criobomba de helio líquido inyectado: se compone principalmente de un contenedor de helio líquido, un cuerpo de bomba y una cavidad de nitrógeno líquido conectada a un deflector. Para reducir el consumo de helio líquido, la pared exterior del contenedor de helio líquido adopta una pared de aislamiento térmico de doble capa y se evacua en el medio.
Cuando la bomba se bombea previamente a una presión de 10-6 Pa, se vierten nitrógeno líquido y helio líquido, y el gas se condensa en la placa fría de trabajo de 4,2 K. Después del prebombeo, la presión parcial de helio e hidrógeno es del orden de 10-12 Pa, por lo que la bomba puede obtener la presión final por debajo de 10-11 Pa. Si se vacía el recipiente de helio líquido y se descomprime para 6650 Pa, la temperatura del helio líquido se puede reducir a 2,3 K y se puede obtener una presión límite más baja.
②Bomba criogénica de refrigerador de gas helio de circuito cerrado: es un nuevo tipo de bomba criogénica que apareció en la década de 1970 (en la foto). Esta bomba no consume helio, es fácil de operar, fácil de mantener y se usa cada vez más. El medio de refrigeración del refrigerador es gas helio, la temperatura de la placa fría primaria es 50-100K, que se utiliza para condensar el vapor de agua y preenfriar otros gases; la temperatura de la placa fría secundaria es 10-20K, que se utiliza para condensar nitrógeno, oxígeno y argón y otros gases.
La superficie interna de la placa fría secundaria está recubierta con carbón activado. El área de superficie específica del carbón activado es 500-2500 m2/g, y tiene una fuerte capacidad de adsorción de helio, neón e hidrógeno a baja temperatura. La placa fría está hecha de cobre libre de oxígeno y la superficie está pulida a un nivel de espejo para reducir la emisividad. La presión final de la bomba es 10-7 ~ 10-8 Pa, el rango de presión de trabajo es 10-1 ~ 10-7 Pa, y se requiere que la presión previa al bombeo sea de 1 Pa .
La tasa de bombeo del producto terminado ha alcanzado los 60,000 litros/segundo (1 litro=10-3 m3). Además, de acuerdo con las características del proceso, la placa fría de extracción de aire se puede colocar en el contenedor bombeado y la tasa de extracción de aire puede alcanzar más de 106 litros/segundo.
Baja carga de calor La carga de calor de la bomba de aceite es principalmente el calor de condensación del gas y el calor radiante de la pared circundante frente a la placa fría de trabajo. El calor de condensación está relacionado con el tipo de gas. Para nitrógeno a 80K y 133,322 Pa litros, el calor de condensación en una placa fría de 20K es de 0,3-0,6 julios.
El calor radiante recibido por la placa fría de trabajo es proporcional a la diferencia entre la cuarta potencia de la temperatura del panel de pared circundante y la temperatura de la placa fría de trabajo. Por lo tanto, las placas frías de trabajo de 4.2K y 20K están protegidas con placas frías de 50-100K para reducir el calor radiante recibido por las placas frías de trabajo.