Une cryopompe est une pompe à vide qui utilise une surface à basse température pour condenser le gaz, également appelée pompe à condensat. La cryopompe est la pompe à vide avec la pression limite la plus basse et le débit de pompage le plus élevé pour obtenir un vide propre. Il est largement utilisé dans la recherche et la production de semi-conducteurs et de circuits intégrés, ainsi que dans la recherche de faisceaux moléculaires, les équipements de revêtement sous vide, les instruments d'analyse de surface sous vide, les implanteurs ioniques et les simulations spatiales. appareils, etc...
Le principe de pompage est équipé d'une plaque froide refroidie à très basse température par de l'hélium liquide ou d'un réfrigérateur dans la cryopompe. Il condense le gaz et maintient la pression de vapeur du condensat en dessous de la pression ultime de la pompe, de manière à obtenir l'effet de pompage. Les fonctions principales du pompage à basse température sont la condensation à basse température, l'adsorption à basse température et la capture à basse température.
①Condensation à basse température : les molécules de gaz sont condensées à la surface de la plaque froide ou sur la couche de gaz condensé, et la pression d'équilibre est fondamentalement égale à la pression de vapeur du condensat. Lors du pompage d'air, la température de la plaque froide doit être inférieure à 25K; lors du pompage d'hydrogène, la température de la plaque froide est plus basse. L'épaisseur de la couche de condensation à basse température et de condensation d'extraction peut atteindre environ 10 mm.
②Adsorption à basse température : les molécules de gaz sont adsorbées à la surface de l'adsorbant enduit sur la plaque froide avec une épaisseur d'une couche monomoléculaire (ordre 10-8 cm). La pression d'équilibre pour l'adsorption est bien inférieure à la pression de vapeur à la même température. Par exemple, la pression de vapeur d'hydrogène à 20K est égale à la pression atmosphérique et la pression d'équilibre d'adsorption est inférieure à 10-8 Pa lorsque le charbon actif 20K absorbe l'hydrogène. Ceci permet d'effectuer un pompage par adsorption cryogénique à des températures plus élevées.
③Piégeage cryogénique : les molécules de gaz qui ne peuvent pas être condensées à la température d'extraction sont enfouies et adsorbées par la couche croissante de gaz condensable.
D'une manière générale, la pression ultime de la pompe est la pression de vapeur du gaz condensé à la température de la plaque froide. Lorsque la température est de 120 K, la pression de vapeur de l'eau est déjà inférieure à 10-8 Pa. Lorsque la température est de 20 K, à l'exception de l'hélium, du néon et de l'hydrogène, la pression de vapeur des autres gaz est également inférieure à {{3} } Pa. Cependant, en raison des températures différentes du récipient pompé et de la plaque froide cryogénique, la pression finale de la pompe est supérieure à la pression de vapeur du condensat. Pour une cuve à température ambiante, avec un panneau cryogénique de 20K, la pression ultime de la pompe est d'environ 4 fois la pression de vapeur du condensat.
Les cryopompes de type sont divisées en deux types : les cryopompes à hélium liquide à injection et les cryopompes frigorifiques à hélium gazeux en circuit fermé.
①Cryopompe à hélium liquide injecté : Elle est principalement composée d'un réservoir d'hélium liquide, d'un corps de pompe et d'une cavité d'azote liquide reliée à une chicane. Afin de réduire la consommation d'hélium liquide, la paroi extérieure du conteneur d'hélium liquide adopte une paroi d'isolation thermique à double couche et est évacuée entre les deux.
Lorsque la pompe est pré-pompée à une pression de 10-6 Pa, de l'azote liquide et de l'hélium liquide y sont versés, et le gaz se condense sur la plaque froide de travail de 4,2K. Après le pré-pompage, la pression partielle de l'hélium et de l'hydrogène est de l'ordre de 10-12 Pa, de sorte que la pompe peut atteindre la pression ultime inférieure à 10-11 Pa. Si le réservoir d'hélium liquide est évacué et décompressé à 6650 Pa, la température de l'hélium liquide peut être réduite à 2,3 K, et une pression limite inférieure peut être obtenue.
②Pompe cryogénique du réfrigérateur à hélium à gaz en circuit fermé : Il s'agit d'un nouveau type de pompe cryogénique apparue dans les années 1970 (photo). Cette pompe ne consomme pas d'hélium, est facile à utiliser, facile à entretenir et est de plus en plus utilisée. Le milieu de réfrigération du réfrigérateur est l'hélium gazeux, la température de la plaque froide primaire est 50-100K, qui est utilisée pour condenser la vapeur d'eau et pré-refroidir d'autres gaz ; la température de la plaque froide secondaire est 10-20K, qui est utilisée pour condenser l'azote, l'oxygène et l'argon et d'autres gaz.
La surface intérieure de la plaque froide secondaire est recouverte de charbon actif. La surface spécifique du charbon actif est de 500-2500 m2/g, et il a une forte capacité d'adsorption pour l'hélium, le néon et l'hydrogène à basse température. La plaque froide est en cuivre sans oxygène et la surface est polie au niveau du miroir pour réduire l'émissivité. La pression ultime de la pompe est de 10-7 ~ 10-8 Pa, la plage de pression de travail est de 10-1 ~ 10-7 Pa, et la pression de pré-pompage doit être de 1 Pa .
Le débit de pompage du produit fini a atteint 60,000 litres/seconde (1 litre=10-3 m3). De plus, selon les caractéristiques du processus, la plaque froide d'extraction d'air peut être disposée dans le conteneur pompé, et le taux d'extraction d'air peut atteindre plus de 106 litres/seconde.
Faible charge calorifique La charge calorifique de la pompe à huile est principalement constituée de la chaleur de condensation du gaz et de la chaleur rayonnante du mur d'enceinte faisant face à la plaque froide de travail. La chaleur de condensation est liée au type de gaz. Pour l'azote à 80K et 133,322 Pa litres, la chaleur de condensation sur une plaque froide de 20 K est de 0,3-00,6 joule.
La chaleur rayonnante reçue par la plaque froide de travail est proportionnelle à la différence entre la puissance 4 de la température du panneau mural environnant et la température de la plaque froide de travail. Par conséquent, les plaques froides de travail 4,2K et 20K sont protégées par des plaques froides 50-100K pour réduire la chaleur rayonnante reçue par les plaques froides de travail.