Крионасос: руководство по использованию

У крионасосов есть ряд преимуществ по сравнению с другими высоковакуумными насосами. Скорость откачки по водяному пару этих насосов, примерно, в 4 раза больше, чем у насосов с аналогичным входным диаметром. Если сравнивать с турбомолекулярным или масляным диффузионным насосами, то крионасос преобразуют все процессы внутри себя.

Принцип работы крионасоса

Водяной пар конденсируется на холодном зеркале в ванной комнате после душа или на очках, когда владелец приходит с холодной улицы в теплую и влажную комнату. Лед образуется на лобовом стекле автомобиля после ночи с температурой ниже нуля.Таким образом, мы можем легко понять физику крионасосов. Каждый газ имеет насыщенное давление пара, которое зависит от температуры – чем выше температура, тем выше давление пара. Конденсация на холодной поверхности приведет к снижению давления паров окружающего газа. Если температура достаточно низкая, то пар перейдет в твердую фазу и конденсируется. 

При откачки газов до высоковакуумного давления (например, 10^-7 мбар) должно быть обеспечено гораздо более низкие температуры. На рисунке 1 показано давление насыщенных паров в зависимости от температуры для большинства газов, присутствующих в вакуумных камерах.

Рисунок 1 - Давление паров различных газов в зависимости от температуры

На рисунке видно, что при температурах ниже 20 К (-253С) все газы будут конденсироваться до давления ниже 10^-10 мбар, что означает чистый сверхвысокий вакуум. Такие температуры можно легко поддерживать с помощью промышленных криоохладителей. Они работают от газообразного гелия, подаваемого в выносном компрессоре замкнутого цикла.

Криоохладители или: "холодные головки" или "криохолодильники" охлаждают газы в 2 этапа; первая ступень охлаждает газ до температуры значительно ниже 77 К (температура жидкого азота) с высокой холодопроизводительностью, в то время как вторая ступень охлаждает его до температуры ниже 20 К при более низкой холодопроизводительности. Чтобы уменьшить тепловое излучение от внешних стен, вследствие того, что насос находится при комнатной температуре, к 80 K-ступени подключен радиационный экран. Здесь также имеется перегородка для впуска газа, которая предварительно охлаждает все газы, поступающие внутрь насоса. Внешние стороны покрыты высокоотражающим материалом, похожие на термосы, для отражения теплового излучения.

На рисунке 2 видно, что водяной пар уже конденсируется. Это означает, что вся входная поверхность насоса перекачивает водяной пар практически со 100% эффективностью. Для сравнения, ТМН предпочтительно перекачивает по внешней окружности ротора и с гораздо более низкой эффективностью.

Рисунок 2 - Схема крионасоса

Большинство других газов конденсируется на внутренних холодных панелях, установленных на 20 K-ступени криоохладителя. Гелий и водород здесь откачивать нельзя. Вместо этого они адсорбируются внутренней стороной холодных панелей через активированный уголь (эти слои замерзшего конденсата могут достигать толщины до сантиметра). Если конденсат становится слишком большим, верхний слой может быть недостаточно холодным из-за плохой теплопроводности льда. 

В тех случаях, когда конденсат становится слишком большим, крионасос снижает свою производительность и нуждается в регенерации. Это означает выключение насоса, его прогрев и выпуск всех ранее откачанных газов. Эти газы либо откачиваются форвакуумным насосом, такими как пластинчато-роторным насос, сухой винтовой насос или многоступенчатый насос Рутса. Для ускорения процесса регенерации можно использовать либо электрические нагреватели, либо постоянный поток продувочного газа через насос. После охлаждения насос снова готов.

Для запуска крионасоса необходимо давление примерно 0,01 мбар. Форвакуумный насос не требуется во время работы, что снижает как стоимость, так и уровень шума. В наше время, все операции, включая регенерацию, выполняется с использованием современных насосов, управление которыми осуществляется с помощью встроенного пульта управления. Это обеспечивает прямую связь с системой заказчика и отображает состояние насоса на дисплее. В зависимости от размера насоса, количества конденсированного газа и периода охлаждения этот процесс занимает от 2 до 6 часов.

Преимущества крионасосов

• Являются самыми «чистыми» из всего семейства высоковакуумных насосов — создают безуглеродный вакуум благодаря отсутствию в конструкции подвижных частей, рабочих жидкостей или других элементов, способные загрязнить откачиваемый объем.

• Имеют высокую эффективность — быстрота действия криосорбционных насосов во много раз выше производительности других видов как по газам, так и водяному пару.

• Более экономичны в сравнении с другими видами вакуумного оборудования, имеющими аналогичные откачными характеристиками. В отличие от диффузионных насосов не требуют использования дополнительных дорогостоящих приспособлений, существенно увеличивающих конечную стоимость оборудования. Стоят дешевле чем турбомолекулярные насосы.

• Просты в обслуживании — крионасосам только периодическая регенерация, чтобы освободиться от накопившихся газов. В большинстве моделей «разморозка» занимает минимум времени, что по отзывам о криогенных вакуумных насосах никак не сокращает время продуктивной работы оборудования, а применение контроллера управления позволяет полностью автоматизировать процесс.

• Имеют оптимальные размеры для оборудования с быстротой действия выше 5000 л/с, устанавливаются в любом рабочем положении. Могут предлагаться в стандартном и плоском исполнении корпуса.

• Очень долговечны — срок службы оборудования практически неограничен.

Области применения крионасосов 

Крионасосы используются для применений, требующих быстрой откачки, особенно там, где речь идет о больших поверхностях и водяным паром. 

Камеры для моделирования пространства: большие объемы, большие поверхности дегазации благодаря тепловым кожухам внутри камеры и безмасляному вакууму, необходимому для предотвращения риска загрязнения чувствительной оптики.

Устройства для нанесения покрытий: более быстрая эвакуация, особенно из больших устройств для нанесения покрытий, что обеспечивает более высокую пропускную способность поверхности.

Системы распыления в производстве полупроводников: более высокая скорость откачки обеспечивает более быстрое вакуумирование камеры распыления и более высокую пропускную способность пластин.

Электронно-лучевая сварка: более быстрое вакуумирование сварочной камеры для более высокой производительности заготовки и вакуума без углеводородов там, где требуются чувствительные детали, такие как титан, например, в авиации.

Высоковакуумные печи для пайки: для сокращения времени вакуумирования.

Молекулярно-лучевая эпитаксия: требуют хорошего и не содержащего углеводородов сверхвысокого вакуума < 10^-09 мбар.

Специальные научно-исследовательские приложения, такие как эксперименты с лучом в синхротронах или накопительных кольцах: сверхвысокий вакуум без углеводородов с большой скоростью откачки для H2O и H2.

Эти примеры показывают приложения, извлекающие выгоду из преимуществ крионасосов по сравнению с диффузией масла и ТМН.