Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Криопомпа или "криогенный насос" – это вакуумный насос, который захватывает газы и пары, конденсируя их на холодной поверхности, однако эффективен лишь для определенных газов. Эффективность зависит от температур замерзания и кипения газа по отношению к температуре криопомпы. Иногда их используют для блокировки конкретных загрязнителей, например, перед диффузионным насосом для улавливания обратного потока масла, или перед манометром Маклеода для предотвращения попадания воды. В этом качестве они называются криотрапами, водяными ловушками или холодными ловушками, хотя физический механизм остается тем же, что и у криопомпы. Криозахват также может относиться к несколько иному эффекту, когда молекулы увеличивают время пребывания на холодной поверхности, не замерзая (переохлаждаясь). Существует задержка между моментом столкновения молекулы с поверхностью и ее отскоком. Кинетическая энергия теряется по мере замедления молекул. Например, водород не конденсируется при 8 кельвинах, но может быть подвергнут криозахвату. Это эффективно удерживает молекулы в течение продолжительного времени и, таким образом, удаляет их из вакуумной среды, подобно криопомпам.
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.
История
Первые эксперименты по криоулавливанию газов активированным углем проводились еще в 1874 году. Первые криопомпы в основном использовали жидкий гелий для охлаждения насоса, либо в большом резервуаре с жидким гелием, либо за счет непрерывного потока гелия в криопомпу. Однако со временем большинство криопомп были перепроектированы для использования газообразного гелия, что стало возможным благодаря изобретению более эффективных криокулеров. Ключевая технология охлаждения была открыта в 1950-х годах двумя сотрудниками компании Arthur D. Little Inc., Уильямом Э. Гиффордом и Говардом О. Макмахоном. Эта технология получила название криокулер Гиффорда-Макмахона. В 1970-х годах криокулеры Гиффорда-Макмахона были использованы компанией Helix Technology Corporation и ее дочерней компанией Cryogenic Technology Inc. для создания вакуумного насоса. В 1976 году криопомпы начали применяться в производстве интегральных схем компанией IBM. Использование криопомп стало широко распространенным в производстве полупроводников по всему миру, что привело к расширению, например, к созданию криогенной компании, основанной совместно Helix и ULVAC (jp:アルバック) в 1981 году.
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
Криопомпы обычно охлаждаются сжатым гелием, хотя также могут использовать сухой лед, жидкий азот, или автономные модели могут включать встроенный криокулер. К холодной головке часто присоединяют бафлы для увеличения площади поверхности, доступной для конденсации, но они также повышают поглощение радиационного тепла криопомпой. Со временем поверхность насыщается конденсатом, и скорость откачки постепенно снижается до нуля. Криопомпа удерживает захваченные газы, пока остается холодной, но не конденсирует свежие газы из утечек или обратного потока до тех пор, пока не будет регенерирована. Насыщение происходит очень быстро при низком вакууме, поэтому криопомпы обычно используются только в системах высокого или сверхвысокого вакуума. Криопомпа обеспечивает быструю и чистую откачку всех газов в диапазоне от 10−3 до 10−9 Торр. Принцип работы криопомпы основан на конденсации и удержании газов при чрезвычайно низком давлении паров, что обеспечивает высокие скорости и пропускную способность. Холодная головка состоит из двухступенчатого цилиндра с холодной головкой (являющегося частью вакуумной камеры) и приводного блока с вытеснительным механизмом. Вместе они создают замкнутый цикл охлаждения при температурах от 60 до 80 К на первой ступени охлаждения и от 10 до 20 К на второй ступени, как правило. Некоторые криопомпы имеют несколько ступеней при различных низких температурах, при этом внешние ступени экранируют самые холодные внутренние ступени. Внешние ступени конденсируют газы с высокой температурой кипения, такие как вода и масло, тем самым экономя площадь поверхности и охлаждающую способность внутренних ступеней для газов с более низкой температурой кипения, таких как азот. По мере снижения температуры охлаждения при использовании сухого льда, жидкого азота, а затем сжатого гелия, можно улавливать газы с меньшей молекулярной массой. Для улавливания азота, гелия и водорода требуются чрезвычайно низкие температуры (~10 К) и большая площадь поверхности, как описано ниже. Даже при этой температуре более легкие газы гелий и водород имеют очень низкую эффективность улавливания и являются преобладающими молекулами в системах сверхвысокого вакуума. Криопомпы часто комбинируют с сорбционными насосами, покрывая холодную головку высокоадсорбирующими материалами, такими как активированный уголь или цеолит. По мере насыщения сорбента эффективность сорбционного насоса снижается, но ее можно восстановить, нагревая цеолитный материал (предпочтительно в условиях низкого давления) для его дегазации. Температура разложения пористой структуры цеолитного материала может ограничивать максимальную температуру, до которой его можно нагревать для регенерации. Сорбционные насосы – это тип криопомпы, который часто используется в качестве форвакуумных насосов для снижения давления от атмосферного до порядка 0,1 Па (10−3 Торр), в то время как более низкое давление достигается с помощью откачивающего насоса (см. вакуум).
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).
Восстановление
Регенерация криопомпы – это процесс испарения захваченных газов. Во время цикла регенерации криопомпа нагревается до комнатной температуры или выше, что позволяет захваченным газам перейти из твердого состояния в газообразное и высвободиться из криопомпы через предохранительный клапан в атмосферу. Большинство производственного оборудования, использующего криопомпу, оснащено средствами изоляции криопомпы от вакуумной камеры, чтобы регенерация происходила без попадания выделяющихся газов, таких как водяной пар, в вакуумную систему. Водяной пар – наиболее трудноудаляемый компонент из стенок вакуумной камеры при контакте с атмосферой из-за образования монослоя и водородных связей. Добавление тепла к сухому азотному продувочному газу ускорит прогрев и сократит время регенерации. После завершения регенерации криопомпу откачивают до 50 мкм (50 миллиТорр), изолируют и контролируют скорость повышения давления (ROR) для проверки полноты регенерации. Если ROR превышает 10 мкм/мин, криопомпе потребуется дополнительное время продувки.
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.