Kryopumpa je vývěva, která využívá nízkoteplotní povrch ke kondenzaci plynu, známá také jako vývěva kondenzátu. Kryopumpa je vývěva s nejnižším konečným tlakem a nejvyšší rychlostí čerpání pro dosažení čistého vakua. Je široce používán ve výzkumu a výrobě polovodičů a integrovaných obvodů, stejně jako ve výzkumu molekulárního paprsku, zařízení pro vakuové potahování, přístrojů pro vakuovou analýzu povrchu, iontových implantátorů a vesmírných simulací. zařízení atd.
Princip čerpání je vybaven studenou deskou chlazenou na velmi nízkou teplotu kapalným heliem nebo lednicí v kryopumpě. Kondenzuje plyn a udržuje tlak par kondenzátu pod konečným tlakem čerpadla, aby se dosáhlo čerpacího efektu. Hlavní funkce nízkoteplotního čerpání jsou nízkoteplotní kondenzace, nízkoteplotní adsorpce a nízkoteplotní zachycování.
①Nízkoteplotní kondenzace: molekuly plynu kondenzují na povrchu studené desky nebo na vrstvě kondenzovaného plynu a rovnovážný tlak se v zásadě rovná tlaku par kondenzátu. Při čerpání vzduchu musí být teplota studené desky nižší než 25 K; při čerpání vodíku je teplota studené desky nižší. Tloušťka nízkoteplotní kondenzační a extrakční kondenzační vrstvy může dosahovat cca 10 mm.
②Nízkoteplotní adsorpce: Molekuly plynu jsou adsorbovány na povrchu adsorbentu potaženého na studené desce o tloušťce monomolekulární vrstvy (řád 10-8 cm). Rovnovážný tlak pro adsorpci je mnohem nižší než tlak par při stejné teplotě. Například tlak par vodíku při 20 K se rovná atmosférickému tlaku a adsorpční rovnovážný tlak je nižší než 10-8 Pa, když 20K aktivní uhlí absorbuje vodík. To umožňuje provádět čerpání kryogenní adsorpcí při vyšších teplotách.
③Kryogenní zachycení: Molekuly plynu, které nemohou být kondenzovány při extrakční teplotě, jsou pohřbeny a adsorbovány rostoucí vrstvou kondenzovatelného plynu.
Obecně řečeno, konečný tlak čerpadla je tlak par kondenzovaného plynu při teplotě studené desky. Když je teplota 120 K, tlak par vody je již nižší než 10-8 Pa. Když je teplota 20 K, kromě helia, neonu a vodíku je tlak par ostatních plynů také nižší než {{3} } Pa. Avšak v důsledku rozdílných teplot čerpané nádoby a kryogenní studené desky je konečný tlak čerpadla vyšší než tlak par kondenzátu. Pro nádobu při pokojové teplotě s kryopanelem 20 K je konečný tlak čerpadla asi 4krát vyšší než tlak par kondenzátu.
Typové kryopumpy se dělí na dva typy: vstřikovací kapalné heliové kryopumpy a plynové heliové chladicí kryopumpy s uzavřeným okruhem.
① Kryopumpa s kapalným heliem se vstřikováním: Skládá se hlavně z nádoby na kapalné helium, těla čerpadla a dutiny pro kapalný dusík připojené k přepážce. Aby se snížila spotřeba kapalného helia, vnější stěna nádoby s kapalným heliem přijímá dvouvrstvou tepelně izolační stěnu a je mezi nimi evakuována.
Když je čerpadlo předčerpáno na tlak 10-6 Pa, nalije se do něj kapalný dusík a kapalné helium a plyn kondenzuje na pracovní studené desce 4,2 K. Po předběžném čerpání je parciální tlak helia a vodíku v řádu 10-12 Pa, takže čerpadlo může dosáhnout maximálního tlaku pod 10-11 Pa. Pokud je nádoba s kapalným heliem evakuována a dekomprimována na 6650 Pa, lze teplotu kapalného helia snížit na 2,3 K a lze dosáhnout nižší mezní hodnoty tlaku.
②Kryogenní čerpadlo plynové heliové chladničky s uzavřeným okruhem: Jedná se o nový typ kryogenního čerpadla, který se objevil v 70. letech 20. století (na obrázku). Toto čerpadlo nespotřebovává helium, je snadno ovladatelné, snadno se udržuje a je stále více používáno. Chladicí médium chladničky je plynové helium, teplota primární studené desky je 50-100K, která slouží ke kondenzaci vodní páry a předchlazení ostatních plynů; teplota sekundární studené desky je 10-20K, která se používá ke kondenzaci dusíku, kyslíku a argonu a dalších plynů.
Vnitřní povrch sekundární studené desky je potažen aktivním uhlím. Specifický povrch aktivního uhlí je 500-2500 m2/g a má silnou adsorpční kapacitu pro helium, neon a vodík při nízké teplotě. Studená deska je vyrobena z bezkyslíkaté mědi a povrch je leštěný do zrcadlové úrovně, aby se snížila emisivita. Konečný tlak čerpadla je 10-7 ~ 10-8 Pa, rozsah pracovního tlaku je 10-1 ~ 10-7 Pa a tlak před čerpáním musí být 1 Pa .
Rychlost čerpání hotového produktu dosáhla 60,000 litrů za sekundu (1 litr=10-3 m3). Navíc podle charakteristik procesu může být chladná deska pro odsávání vzduchu uspořádána v čerpané nádobě a rychlost odsávání vzduchu může dosáhnout více než 106 litrů za sekundu.
Nízká tepelná zátěž Tepelnou zátěží olejového čerpadla je především kondenzační teplo plynu a sálavé teplo okolní stěny obrácené k pracovní studené desce. Kondenzační teplo souvisí s druhem plynu. Pro dusík při 80K a 133,322 Pa litrech je kondenzační teplo na 20K studené desce 0.3-0,6 joulů.
Sálavé teplo přijímané pracovní studenou deskou je úměrné rozdílu mezi 4. mocninou teploty okolního stěnového panelu a teplotou pracovní studené desky. Proto jsou pracovní studené desky 4,2K a 20K odstíněny 50-100K studenými deskami, aby se snížilo sálavé teplo přijímané pracovními studenými deskami.