Η κρυοπαντλία είναι μια αντλία κενού που χρησιμοποιεί μια επιφάνεια χαμηλής θερμοκρασίας για τη συμπύκνωση αερίου, γνωστή και ως αντλία συμπυκνωμάτων. Η κρυοαντλία είναι η αντλία κενού με τη χαμηλότερη τελική πίεση και τον υψηλότερο ρυθμό άντλησης για την επίτευξη καθαρού κενού. Χρησιμοποιείται ευρέως στην έρευνα και παραγωγή ημιαγωγών και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, καθώς και στην έρευνα μοριακής δέσμης, στον εξοπλισμό επίστρωσης κενού, στα όργανα ανάλυσης επιφάνειας κενού, στους εμφυτευτές ιόντων και στις προσομοιώσεις χώρου. συσκευές κ.λπ.
Η αρχή άντλησης είναι εξοπλισμένη με μια ψυχρή πλάκα που ψύχεται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία με υγρό ήλιο ή ένα ψυγείο στην κρυοπαντλία. Συμπυκνώνει το αέριο και διατηρεί την τάση ατμών του συμπυκνώματος κάτω από την τελική πίεση της αντλίας, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται το αποτέλεσμα άντλησης. Οι κύριες λειτουργίες της άντλησης χαμηλής θερμοκρασίας είναι η συμπύκνωση χαμηλής θερμοκρασίας, η προσρόφηση σε χαμηλή θερμοκρασία και η σύλληψη χαμηλής θερμοκρασίας.
① Συμπύκνωση χαμηλής θερμοκρασίας: τα μόρια αερίου συμπυκνώνονται στην επιφάνεια της ψυχρής πλάκας ή στο στρώμα συμπυκνωμένου αερίου και η πίεση ισορροπίας είναι βασικά ίση με την τάση ατμών του συμπυκνώματος. Κατά την άντληση αέρα, η θερμοκρασία της ψυχρής πλάκας πρέπει να είναι χαμηλότερη από 25 K. κατά την άντληση υδρογόνου, η θερμοκρασία της ψυχρής πλάκας είναι χαμηλότερη. Το πάχος του στρώματος συμπύκνωσης και εξαγωγής συμπύκνωσης χαμηλής θερμοκρασίας μπορεί να φτάσει περίπου τα 10 mm.
②Απορρόφηση χαμηλής θερμοκρασίας: Τα μόρια αερίου απορροφώνται στην επιφάνεια του προσροφητικού που επικαλύπτεται στην ψυχρή πλάκα με πάχος μονομοριακής στιβάδας (τάξη 10-8 cm). Η πίεση ισορροπίας για την προσρόφηση είναι πολύ χαμηλότερη από την τάση ατμών στην ίδια θερμοκρασία. Για παράδειγμα, η τάση ατμών του υδρογόνου στους 20K είναι ίση με την ατμοσφαιρική πίεση και η πίεση ισορροπίας προσρόφησης είναι χαμηλότερη από 10-8 Pa όταν 20K ενεργός άνθρακας απορροφά υδρογόνο. Αυτό καθιστά δυνατή την εκτέλεση άντλησης με κρυογονική προσρόφηση σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
③ Κρυογονική παγίδευση: Τα μόρια αερίου που δεν μπορούν να συμπυκνωθούν στη θερμοκρασία εκχύλισης θάβονται και απορροφώνται από το αναπτυσσόμενο στρώμα συμπυκνώσιμου αερίου.
Σε γενικές γραμμές, η τελική πίεση της αντλίας είναι η τάση ατμών του συμπυκνωμένου αερίου στη θερμοκρασία της ψυχρής πλάκας. Όταν η θερμοκρασία είναι 120 K, η τάση ατμών του νερού είναι ήδη χαμηλότερη από 10-8 Pa. Όταν η θερμοκρασία είναι 20 K, εκτός από ήλιο, νέον και υδρογόνο, η τάση ατμών άλλων αερίων είναι επίσης χαμηλότερη από {{3} } Pa. Ωστόσο, λόγω των διαφορετικών θερμοκρασιών του αντλούμενου δοχείου και της κρυογονικής ψυχρής πλάκας, η τελική πίεση της αντλίας είναι υψηλότερη από την τάση ατμών του συμπυκνώματος. Για ένα δοχείο σε θερμοκρασία δωματίου, με κρυοπάνελ 20 K, η τελική πίεση της αντλίας είναι περίπου 4 φορές η τάση ατμών του συμπυκνώματος.
Οι κρυοαντλίες τύπου κρυοαντλίες χωρίζονται σε δύο τύπους: τις κρυοαντλίες υγρού ηλίου έγχυσης και τις κρυοπαντλίες ψυγείων ηλίου κλειστού κυκλώματος αερίου.
①Κρυοαντλία υγρού ηλίου με έγχυση: Αποτελείται κυρίως από ένα δοχείο υγρού ηλίου, ένα σώμα αντλίας και μια κοιλότητα υγρού αζώτου που συνδέεται με ένα διάφραγμα. Προκειμένου να μειωθεί η κατανάλωση υγρού ηλίου, το εξωτερικό τοίχωμα του δοχείου υγρού ηλίου υιοθετεί ένα θερμομονωτικό τοίχωμα διπλής στρώσης και εκκενώνεται ενδιάμεσα.
Όταν η αντλία αντλείται εκ των προτέρων σε πίεση 10-6 Pa, υγρό άζωτο και υγρό ήλιο χύνονται σε αυτήν και το αέριο συμπυκνώνεται στην ψυχρή πλάκα εργασίας των 4,2 K. Μετά την προ-άντληση, η μερική πίεση ηλίου και υδρογόνου είναι της τάξης του 10-12 Pa, επομένως η αντλία μπορεί να αποκτήσει την τελική πίεση κάτω από 10-11 Pa. Εάν το δοχείο υγρού ηλίου εκκενωθεί και αποσυμπιεστεί σε 6650 Pa, η θερμοκρασία του υγρού ηλίου μπορεί να μειωθεί στους 2,3 Κ και μπορεί να επιτευχθεί χαμηλότερη οριακή πίεση.
②Κρυογονική αντλία ψυγείου αερίου ηλίου κλειστού κυκλώματος: Είναι ένας νέος τύπος κρυογονικής αντλίας που εμφανίστηκε τη δεκαετία του 1970 (εικόνα). Αυτή η αντλία δεν καταναλώνει ήλιο, είναι εύκολη στη λειτουργία, εύκολη στη συντήρηση και χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο. Το μέσο ψύξης του ψυγείου είναι αέριο ήλιο, η θερμοκρασία της κύριας ψυχρής πλάκας είναι 50-100K, το οποίο χρησιμοποιείται για τη συμπύκνωση υδρατμών και την προψύξη άλλων αερίων. η θερμοκρασία της δευτερεύουσας ψυχρής πλάκας είναι 10-20K, η οποία χρησιμοποιείται για τη συμπύκνωση αζώτου, οξυγόνου και αργού και άλλων αερίων.
Η εσωτερική επιφάνεια της δευτερεύουσας ψυχρής πλάκας είναι επικαλυμμένη με ενεργό άνθρακα. Η ειδική επιφάνεια του ενεργού άνθρακα είναι 500-2500 m2/g και έχει ισχυρή ικανότητα προσρόφησης για ήλιο, νέον και υδρογόνο σε χαμηλή θερμοκρασία. Η ψυχρή πλάκα είναι κατασκευασμένη από χαλκό χωρίς οξυγόνο και η επιφάνεια είναι γυαλισμένη σε επίπεδο καθρέφτη για μείωση της εκπομπής. Η τελική πίεση της αντλίας είναι 10-7 ~ 10-8 Pa, το εύρος πίεσης εργασίας είναι 10-1 ~ 10-7 Pa, και η πίεση πριν την άντληση απαιτείται να είναι 1 Pa .
Ο ρυθμός άντλησης του τελικού προϊόντος έχει φτάσει τα 60,000 λίτρα/δευτερόλεπτο (1 λίτρο=10-3 m3). Επιπλέον, σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά της διαδικασίας, η ψυχρή πλάκα εξαγωγής αέρα μπορεί να τοποθετηθεί στο αντλούμενο δοχείο και ο ρυθμός εξαγωγής αέρα μπορεί να φτάσει περισσότερα από 106 λίτρα/δευτερόλεπτο.
Χαμηλό θερμικό φορτίο Το θερμικό φορτίο της αντλίας λαδιού είναι κυρίως η θερμότητα συμπύκνωσης του αερίου και η ακτινοβολούμενη θερμότητα του περιβάλλοντος τοίχου που βλέπει στην ψυχρή πλάκα εργασίας. Η θερμότητα της συμπύκνωσης σχετίζεται με τον τύπο του αερίου. Για άζωτο σε 80Κ και 133.322 Pa λίτρα, η θερμότητα συμπύκνωσης σε ψυχρή πλάκα 20 K είναι 0.3-0,6 joules.
Η ακτινοβολούμενη θερμότητα που λαμβάνεται από την ψυχρή πλάκα εργασίας είναι ανάλογη της διαφοράς μεταξύ της 4ης ισχύος της θερμοκρασίας του πλαισίου του περιβάλλοντος τοίχου και της θερμοκρασίας της ψυχρής πλάκας εργασίας. Επομένως, οι ψυχρές πλάκες εργασίας 4,2K και 20K θωρακίζονται με ψυχρές πλάκες 50-100K για μείωση της ακτινοβολούμενης θερμότητας που λαμβάνουν οι ψυχρές πλάκες εργασίας.