Криосорбо қақпақтар – газды суық бетке конденсациялап вакуум жасайтын құрылғы. Газ түрлеріне қарай тиімділігі өзгереді. Криоловушка, су сорғысы ретінде де қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Криопомпа немесе "криогендік сорғы" – газдар мен буларды суық бетке конденсациялау арқылы ұстап тұратын вакуумдық сорғы, бірақ ол тек кейбір газдарға ғана тиімді. Тиімділігі газдың қату және қайнау температураларының криопомпаның температурасына қатысты айырмасына байланысты. Олар кейде нақты ластағыштарды тоқтату үшін қолданылады, мысалы, диффузиялық сорғының алдында кері ағып жатқан майды ұстау үшін немесе МакЛеод өлшегішінің алдында суды ұстап тұру үшін. Мұндай жағдайда оларды криотрап, су сорғысы немесе суық тұзақ деп атайды, бірақ физикалық механизмі криопомпамен бірдей. Криотұсау – молекулалардың суық бетте қалу уақытын ұлғайтатын, бірақ тоңбайтын құбылысқа да қатысты. Молекула бетке тигеннен кейін кері секіріп қайту арасында уақыт кешігуі болады. Молекулалар баяулаған сайын кинетикалық энергиясын жояды. Мысалы, сутек 8 кельвинде конденсацияланбайды, бірақ оны криотұсау арқылы ұстауға болады. Бұл молекулаларды ұзақ уақытқа тоқтап тұрып, вакуумдық ортадан криопомпалау сияқты алып тастайды.
A cryopump or a "cryogenic pump" is a vacuum pump that traps gases and vapours by condensing them on a cold surface, but are only effective on some gases. The effectiveness depends on the freezing and boiling points of the gas relative to the cryopump's temperature. They are sometimes used to block particular contaminants, for example in front of a diffusion pump to trap backstreaming oil, or in front of a McLeod gauge to keep out water. In this function, they are called a cryotrap, waterpump or cold trap, even though the physical mechanism is the same as for a cryopump. Cryotrapping can also refer to a somewhat different effect, where molecules will increase their residence time on a cold surface without actually freezing (supercooling). There is a delay between the molecule impinging on the surface and rebounding from it. Kinetic energy will have been lost as the molecules slow down. For example, hydrogen does not condense at 8 kelvins, but it can be cryotrapped. This effectively traps molecules for an extended period and thereby removes them from the vacuum environment just like cryopumping.
Тарих
Активацияланған көмірдегі газдарды криоқаптаудың алғашқы тәжірибелері 1874 жылға дейін жүргізілді. Алғашқы криопомпалар негізінен насосты салқындату үшін үлкен сұйық гелий резервуарларын немесе криопомпаға үздіксіз ағып келетін сұйық гелийді пайдаланды. Бірақ, уақыт өте келе көптеген криопомпалар жақсы криосуытқыштардың ойлап табылуының арқасында газ тәрізді гелийді пайдалану үшін қайта жасалды. Мұздатудың негізгі технологиясын 1950 жылдары Массачусетс штатындағы «Артур Д. Литтл Инк.» компаниясының екі қызметкері Уильям Э. Гиффорд және Говард О. МакМахон ашқан. Бұл технология Гиффорд-МакМахон криосуытқышы деп аталды. 1970 жылдары «Helix Technology Corporation» және оның еншілес компаниясы «Cryogenic Technology Inc.» Гиффорд-МакМахон криосуытқышын вакуумдық сорғы жасау үшін қолданды. 1976 жылы IBM интегралды схемаларды өндіруде криопомпаларды қолдана бастады. Криопомпаларды пайдалану жартылай өткізгіштер өндірісінде бүкіл әлемде кең таралды, мысалы, 1981 жылы «Helix» және «ULVAC» (jp:アルバック) бірлесіп құрған криогендік компания сияқты кеңейтімдер болды.
Early experiments into cryotrapping of gasses in activated charcoal were conducted as far back as 1874. The first cryopumps mainly used liquid helium to cool the pump, either in a large liquid helium reservoir, or by continuous flow into the cryopump. However, over time most cryopumps were redesigned to use gaseous helium, enabled by the invention of better cryocoolers. The key refrigeration technology was discovered in the 1950s by two employees of the Massachusetts based company Arthur D. Little Inc., William E. Gifford and Howard O. McMahon. This technology came to be known as the Gifford McMahon cryocooler. In the 1970s, the Gifford McMahon cryocooler was used to make a vacuum pump by Helix Technology Corporation and its subsidiary company Cryogenic Technology Inc. In 1976, cryopumps began to be used in IBM's manufacturing of integrated circuits. The use of cryopumps became common in semiconductor manufacturing worldwide, with expansions such as a cryogenics company founded jointly by Helix and ULVAC (jp:アルバック) in 1981.
Операция
Криопомпалар көбінесе қысылған гелиймен салқындатылады, бірақ олар құрғақ мұзды, сұйық азотты немесе дербес нұсқаларында кіріктірілген криожарғышқа ие болуы мүмкін. Конденсация үшін қол жетімді беттік ауданын кеңейту үшін суық басқа көбінесе баффлерлер бекітіледі, бірақ бұл криопомпаның радиациялық жылуды сіңіруін де арттырады. Уақыт өте келе, беткей конденсатпен толып, сорғы жылдамдығы біртіндеп нөлге жетеді. Ол тұтқындалған газдарды суық қалғанша сақтайды, бірақ жаңа газдарды ағып кетуден немесе кері ағымнан конденсацияламайды, олар қайта жаңартылғанша. Қанығу төмен вакуумда өте жылдам жүреді, сондықтан криопомпалар көбінесе жоғары немесе өте жоғары вакуум жүйелерінде қолданылады. Криопомпа 10−3 – 10−9 Торр диапазонындағы барлық газдарды жылдам және таза сорғылайды. Криопомпа газдарды конденсациялап, өте төмен бу қысымында ұстау принципі бойынша жұмыс істейді, бұл жоғары жылдамдық пен өнімділікке қол жеткізуге мүмкіндік береді. Суық бас екі сатылы суық бас цилиндрінен (вакуум ыдысының бөлігі) және жетек блогының ығыстырғыш жиынтығынан тұрады. Бұл екеуі бірігіп, бірінші сатыдағы суық станция үшін 60–80 К, екінші сатыдағы суық станция үшін 10–20 К температурада жабық циклды тоңазытуды қамтамасыз етеді. Кейбір криопомпаларда әртүрлі төмен температураларда бірнеше сатылар болады, сыртқы сатылар ең суық ішкі сатыларды қорғайды. Сыртқы сатылар су және май сияқты жоғары қайнау температурасы бар газдарды конденсациялайды, осылайша ішкі сатылардың төмен қайнау температурасы бар газдар үшін, мысалы, азот үшін беттік ауданы мен тоңазыту сыйымдылығын сақтайды. Құрғақ мұзды, сұйық азотты, содан кейін қысылған гелийді пайдаланғанда салқындату температурасы төмендейді, сондықтан молекулалық салмағы төмен газдарды тұтқындауға болады. Азотты, гелийді және сутекті тұтқындау үшін төменде сипатталғандай өте төмен температуралар (~10 К) және үлкен беттік аудан қажет. Тіпті осы температурада жеңіл газдар гелий мен сутектің тұтқындау тиімділігі өте төмен және олар ультра жоғары вакуум жүйелерінде басым молекулалар болып табылады. Криопомпалар көбінесе сорғылау сорғыларымен біріктіріледі, суық бас белсендірілген көмір немесе цеолит сияқты жоғары адсорбциялайтын материалдармен қапталады. Сорбент қаныққан кезде сорғылау сорғысының тиімділігі төмендейді, бірақ цеолит материалды (қажетті түрде төмен қысымда) қыздыру арқылы оны газдан шығару үшін қайта зарядтауға болады. Цеолит материалдың кеуекті құрылымының ыдырау температурасы регенерация үшін қыздырылатын ең жоғары температураны шектеуі мүмкін. Сорғылау сорғылары – бұл көбінесе атмосфералық қысымды 0,1 Па (10−3 Торр) деңгейіне дейін төмендету үшін қолданылатын криопомпаның бір түрі, ал төменгі қысымдар аяқтау сорғысын қолдану арқылы қол жеткізіледі (вакуумды қараңыз).
Cryopumps are commonly cooled by compressed helium, though they may also use dry ice, liquid nitrogen, or stand alone versions may include a built in cryocooler. Baffles are often attached to the cold head to expand the surface area available for condensation, but these also increase the radiative heat uptake of the cryopump. Over time, the surface eventually saturates with condensate and thus the pumping speed gradually drops to zero. It will hold the trapped gases as long as it remains cold, but it will not condense fresh gases from leaks or backstreaming until it is regenerated. Saturation happens very quickly in low vacuums, so cryopumps are usually only used in high or ultrahigh vacuum systems. The cryopump provides fast, clean pumping of all gases in the 10−3 to 10−9 Torr range. The cryopump operates on the principle that gases can be condensed and held at extremely low vapor pressures, achieving high speeds and throughputs. The cold head consists of a two stage cold head cylinder (part of the vacuum vessel) and a drive unit displacer assembly. These together produce closed cycle refrigeration at temperatures that range from 60 to 80K for the first stage cold station to 10 to 20K for the second stage cold station, typically. Some cryopumps have multiple stages at various low temperatures, with the outer stages shielding the coldest inner stages. The outer stages condense high boiling point gases such as water and oil, thus saving the surface area and refrigeration capacity of the inner stages for lower boiling point gases such as nitrogen. As cooling temperatures decrease when using dry ice, liquid nitrogen, then compressed helium, lower molecular weight gases can be trapped. Trapping nitrogen, helium, and hydrogen requires extremely low temperatures (~10K) and large surface area as described below. Even at this temperature, the lighter gases helium and hydrogen have very low trapping efficiency and are the predominant molecules in ultra high vacuum systems. Cryopumps are often combined with sorption pumps by coating the cold head with highly adsorbing materials such as activated charcoal or a zeolite. As the sorbent saturates, the effectiveness of a sorption pump decreases, but can be recharged by heating the zeolite material (preferably under conditions of low pressure) to outgas it. The breakdown temperature of the zeolite material's porous structure may limit the maximum temperature that it may be heated to for regeneration. Sorption pumps are a type of cryopump that is often used as roughing pumps to reduce pressures from the range of atmospheric to on the order of 0.1 Pa (10−3 Torr), while lower pressures are achieved using a finishing pump (see vacuum).
Қайта жаңғыру
Криопомпаның регенерациясы – тұтқынға алынған газдарды буландыру процесі. Регенерация циклы барысында криопомпа бөлме температурасына немесе одан да жоғары температураға дейін қыздырылады, бұл тұтқынға алынған газдардың қатты күйден газ күйіне өтуіне және осылайша қысымды төмендету клапаны арқылы атмосфераға шығарылуына мүмкіндік береді. Криопомпа қолданылатын өндірістік жабдықтардың көпшілігі криопомпаны вакуумдік камерадан оқшаулауға мүмкіндік береді, сондықтан регенерация вакуумдік жүйені су буы сияқты босатылған газдарға ұшыратпай жүргізіледі. Су буы – атмосфераға ұшыраған кезде вакуумдік камера қабырғаларынан мономолекулалық қабат түзілу және сутегі байланысының нәтижесінде алып тастау қиын болатын ең қиын табиғи элемент. Құрғақ азотпен тазарту газына жылу қосу қыздыруды жылдамдатып, регенерация уақытын қысқартады. Регенерация толыққаннан кейін криопомпа 50 мкм (50 миллиТорр) дейін бастапқы вакуумға дейін сорылады, оқшауланады және толық регенерацияны тексеру үшін өсу жылдамдығы (ROR) бақыланады. Егер ROR 10 мкм/мин-нан асып кетсе, криопомпаға қосымша тазарту уақыты қажет болады.
Regeneration of a cryopump is the process of evaporating the trapped gases. During a regeneration cycle, the cryopump is warmed to room temperature or higher, allowing trapped gases to change from a solid state to a gaseous state and thereby be released from the cryopump through a pressure relief valve into the atmosphere. Most production equipment utilizing a cryopump have a means to isolate the cryopump from the vacuum chamber so regeneration takes place without exposing the vacuum system to released gasses such as water vapor. Water vapor is the hardest natural element to remove from vacuum chamber walls upon exposure to the atmosphere due to monolayer formation and hydrogen bonding. Adding heat to the dry nitrogen purge gas will speed the warm up and reduce the regeneration time. When regeneration is complete, the cryopump will be roughed to 50μm (50 milliTorr or ), isolated, and the rate of rise (ROR) will be monitored to test for complete regeneration. If the ROR exceeds 10μm/min the cryopump will require additional purge time.