1. Nguyên lý hút khí
Bên trong thùng đông lạnh là một tấm lạnh được làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp bằng helium lỏng hoặc tủ lạnh. Nó làm ngưng tụ khí và giữ áp suất hơi của chất ngưng tụ thấp hơn áp suất cuối cùng của bơm, để đạt được hiệu quả bơm. Các chức năng chính của bơm nhiệt độ thấp là ngưng tụ ở nhiệt độ thấp, hấp phụ ở nhiệt độ thấp và thu giữ nhiệt độ thấp.
① Ngưng tụ nhiệt độ thấp: các phân tử khí ngưng tụ trên bề mặt tấm lạnh hoặc trên lớp khí ngưng tụ, và áp suất cân bằng về cơ bản bằng áp suất hơi của chất ngưng tụ. Khi bơm không khí, nhiệt độ của tấm lạnh phải thấp hơn 25K; khi bơm hydro, nhiệt độ của tấm lạnh thấp hơn. Chiều dày của lớp ngưng tụ chiết và ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể đạt khoảng 10 mm.
②Hấp phụ ở nhiệt độ thấp: Các phân tử khí được hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ được phủ trên tấm lạnh có bề dày bằng một lớp đơn phân tử (theo thứ tự là cm). Áp suất cân bằng cho quá trình hấp phụ thấp hơn nhiều so với áp suất hơi ở cùng nhiệt độ. Nếu áp suất hơi của hiđro bằng áp suất khí quyển ở 20K thì áp suất cân bằng của quá trình hấp phụ sẽ thấp hơn Pa khi hấp thụ hiđro bằng than hoạt tính 20K. Điều này làm cho nó có thể thực hiện bơm bằng hấp phụ đông lạnh ở nhiệt độ cao hơn.
③ Bẫy sinh chất: Các phân tử khí không thể ngưng tụ ở nhiệt độ chiết được chôn vùi và hấp phụ bởi lớp khí ngưng tụ đang phát triển.
Nói một cách tổng quát, áp suất cuối cùng của bơm là áp suất hơi của khí ngưng tụ ở nhiệt độ của tấm lạnh. Khi ở nhiệt độ 120K, áp suất hơi của nước đã thấp hơn Pa, ở nhiệt độ 20K, ngoại trừ heli, neon và hydro, áp suất hơi của các khí khác cũng thấp hơn Pa.
Tuy nhiên, do nhiệt độ của bình chứa được bơm và tấm lạnh đông khác nhau, áp suất cuối cùng của bơm cao hơn áp suất hơi của nước ngưng. Đối với một bình ở nhiệt độ phòng, có hộp lạnh 20K, áp suất cuối cùng của bơm bằng khoảng 4 lần áp suất hơi của chất ngưng tụ.
2. Loại
Cryopumps được chia thành hai loại: Cryopumps helium lỏng kiểu phun và tủ lạnh helium gas kín.
Tiêm chất lỏng heli đông lạnh
Nó có cấu tạo chủ yếu bao gồm một bình chứa heli lỏng, một thân máy bơm và một khoang chứa nitơ lỏng được kết nối với một vách ngăn. Để giảm tiêu thụ Heli lỏng, thành bên ngoài của thùng chứa Heli lỏng sử dụng một bức tường cách nhiệt hai lớp và được hút chân không ở giữa.
Khi bơm trước đến áp suất Pa, nitơ lỏng và heli lỏng được bơm vào, khí ngưng tụ trên tấm lạnh làm việc là 4,2K. Sau khi bơm trước, áp suất riêng phần của heli và hydro theo thứ tự là Pa, do đó máy bơm có thể thu được áp suất cuối cùng dưới Pa. Nếu bình chứa heli lỏng được hút chân không và giải nén đến 6650 Pa, nhiệt độ của heli lỏng có thể giảm xuống 2,3K, và có thể đạt được áp suất giới hạn thấp hơn.
Chu trình kín khí heli tủ lạnh đóng băng
Nó là một loại cryopump mới xuất hiện vào những năm 1970. Máy bơm này không tiêu thụ khí heli, dễ vận hành, dễ bảo trì và ngày càng được sử dụng rộng rãi. Môi chất lạnh của tủ lạnh là khí heli, nhiệt độ của tấm lạnh cấp một là 50-100 K và ứng dụng điển hình là 65K, dùng để ngưng tụ hơi nước và làm lạnh sơ bộ các khí khác; nhiệt độ của tấm lạnh giai đoạn hai là 10-20 K, được sử dụng để ngưng tụ nitơ, các khí như oxy và argon.
Bề mặt bên trong của tấm lạnh thứ cấp được phủ một lớp than hoạt tính. Than hoạt tính có khả năng hấp phụ mạnh đối với heli, neon và hydro ở nhiệt độ thấp. Tấm lạnh được làm bằng đồng không oxy, và bề mặt được đánh bóng đến mức gương để giảm độ phát xạ.
Áp suất cuối cùng của máy bơm là Pa, dải áp suất làm việc là Pa và áp suất trước khi bơm bắt buộc phải là 1 Pa. Tốc độ bơm của thành phẩm đạt 60, 000 lít / giây. Ngoài ra, theo đặc điểm của quá trình, tấm lạnh chiết khí có thể được bố trí trong thùng bơm, và tốc độ hút khí có thể đạt hơn 106 lít / giây.