Характеристики крионасоса

Характеристиками крионасоса являются (не по степени важности):

  • время охлаждения
  • сечение
  • предельное давление
  • емкость
  • мощность охлаждения и мощность охлаждения сети
  • время регенерации
  • производительность и максимальный поток pV
  • быстрота действия
  • ресурс/ продолжительность работы
  • начальное давление (запуска)

Время охлаждения крионасоса – время от
включения до проявления эффекта откачки. Для
крионасосов с рефрижератором время охлажде-
ния – это время, необходимое второй ступени
для охлаждения от 293 К до 20 К.

Характерное значение запуска – характеристика уже охлажденного крионасоса. Это важно, когда крионасос подключен к вакуумной камере через высоковакуумный затвор. Это значение представляет собой максимальное количество газа относительно Tn=239К, которое может содержаться в вакуумной камере, так чтобы температура криопанели не повышалась выше 20К при подаче газа после открытия высоковакуумного затвора. Обычно указывается как значение pV (мбар.л).

Значение запуска и объем камеры V влияют на давление запуска c p , до которого должны быть откачаны вакуумная камера перед открытием клапана, установленного перед крионасосом. Можно руководствоваться следующей формулой:

V – объем камеры (л), (20 ) 2 Q& K — емкость охлаждения (Вт) на второй ступени охлаждающей головки при 20К.

Предельное давление P end :
Для криоконденсации может рассчитываться как:

где s p – давление насыщенного пара откачиваемого газа (газов) при температуре криопанели K T , G T –температура газа (температура стенок рядом с криопанелями).

Пример: с помощью кривой давления паров на рис. 9.15 для H2 и N2 предельные давления для T K G = 300 приведены в табл. 2.6.

В таблице показано, что для Н2 при температуре T < 3K температуре газа T K G = 300 (т.е. когда криопанель подвергается тепловому излучению от стенок) можно получить низкое предельное давление. В силу различных факторов, таких как десорбция стенок, наличие течей, теоретическое предельное давление получить на практике невозможно.

Емкость C (мбар.л) крионасоса для некоторого количества материалов. Зависит от давления, соответствует количеству газа (значение V p при T K n = 293 ), которое может осесть в крионасосе до того, как быстрота действия крионасоса упадет ниже 50% от начального значения.

Емкость для газов, которые откачиваются по механизму криосорбции зависит от количества и свойств сорбционных материалов ниже по сравнению с независимой от давления емкости для газов, откачиваемых по методу криоконденсации.

Мощность охлаждения Q& (Вт) источника охлаждения при температуре Т дает количество тепла, которое можно удалить путем охлаждения источника во время поддержания его температуры. Для рефрижераторов она согласовывается для установки на одноступенчатой охлаждающей головке температуры 80К и на двухступенчатой охлаждающей головке температуры 80К на первой ступени и 20 К на второй ступени при одновременной тепловой нагрузке на ступени. Во время измерения мощности охлаждения тепловая нагрузка создается электрическими нагревателями. Максимальная мощность охлаждения при комнатной температуре, и минимальная (нуль) при предельной температуре.

Мощность охлаждения сети Q& (Вт): для крионасосов с рефрижераторами допустимая мощность охлаждения сети при обычных рабочих температурах (T 80K 1 < ,T 20K 2 < ) в основном определяет производительностью и характерным значением запуска. Эта мощность в зависимости от конфигурации крионасоса намного ниже, чем мощность охлаждения охлаждающей головки без насоса.

Поток pV.

Время регенерации: как устройство, захватывающее (улавливающее) газ, крионасос должен проходить регенерацию после определенного периода работы. Регенерация включает удаление сконденсированных и адсорбированных газов из крионасоса путем нагрева. Регенерацию можно проводить полностью или частично и по-разному нагревать крионасос.

При полной регенерации различают следующие методы:

  1. естественный нагрев — после выключение компрессора, крионасос сначала прогревается очень медленно путем теплопроводности, а затем с учетов высвобождаемых газов
  2. метод продувки газом — крионасос прогревается за счет продувки теплым газом.
  3. электрические нагреватели – криопанели нагреваются с помощью нагревателей на первой и второй ступенях. Высвобождающиеся газы выходят или через предохранительный клапан (как припродувке) или через откачку форвакуумным насосом. В зависимости от размера крионасоса процесс регенерации может занять несколько часов.

Частичная регенерация: т.к. ограничение ресурса крионасоса в большинстве областей применения зависит от предела емкости для таких газов как азот, аргон и водород, откачиваемые на второй ступени, то чаще требуется регенерировать только эту ступень. Пары воды во время частичной регенерации осаждаются на экране. Для этого температура первой ступени должна поддерживаться около 140 К иначе парциальное давление паров воды будет повышаться, и молекулы воды могут загрязнить адсорбент второй ступени.

Показано время, которое экономится в системе с быстрой регенерацией. В целях защиты окружающей среды для типовых процессов осаждения рекомендуется проводить одну полную регенерацию после 24 частичных.

Производительность и максимальный поток pV (мбар.л/с): производительность крионасоса по некоторому газу зависит от потока pV газа G через входное отверстие насоса:

p – входное давление, G S – эффективность откачки для газа G .

Максимальный поток pV , при котором криопанель прогревается примерно до T » 20K при непрерывной работе зависит от мощности охлаждения сети насоса при этой температуре и рода газа. Для насосов с рефрижераторами и конденсируемых газов можно использовать уравнение:

Q& K – мощность охлаждения сети (Вт) на второй ступени охлаждающей головки при 20К. Для периодической работы допустим более высокий поток pV (см. характерное значение запуска).

Быстрота действия th S теоретическая для крионасоса определяется как:

A – размер криопанели, A S – площадь поверхности связанная со скоростью откачки (область осаждения согласно ур. 1.17 и 1.20, пропорциональная скорости молекул газа в направлении криопанели), a – вероятность конденсации (осаждения), end p — предельное давление, p – давление в вакуумной камере.

Уравнение 2.29 применимо к криопанели, установленной в вакуумной камере, поверхность которой гораздо меньше по сравнению с поверхностью камеры. При очень низкой температуре вероятность a =1 для всех газов. Уравнение 2.29 показывает, что для end p >> p выражение в скобках близко к 1, поэтому в случае превышения насыщения:

В табл. 2.7 указана площадь поверхности, связанная с быстротой действия A S (л/с.см2) для некоторых газов при различных температурах газа G T (K), полученная по уравнению 2.29.а. Указанные в таблице значения являются предельными. На практике большинство условий равновесия (маленькие криопанели по сравнению с большой поверхностью стенок) не очень достоверны, т.к. для достижения хорошего конечного вакуума и короткого времени откачки требуются большие криопанели. Отклонения являются результатом того, что криопанели окружены охлажденным экраном, на котором скорость проникающих молекул снижается за счет охлаждения.

Ресурс/период работы op t (c) крионасоса для отдельного газа зависит от уравнения

где G C – емкость крионасоса для газа G , Q (t) G – производительность крионасоса для газа в точке времени t.

Если известна постоянная во времени производительность G Q , используется уравнение:

После истечения периода работы op G t , необходимо провести регенерацию крионасоса с учетом рода газа G .

Давление запуска : вообще запуск крионасоса при атмосферном давлении возможен, но нежелателен по нескольким причинам. Пока длина свободного пути молекул газа меньше размеров вакуумной камеры (p>10-3 мбар), теплопроводность газов столь высока, что на криопанель будет действовать недопустимо большое количество тепла. Далее, при запуске на криопанели будет образовываться толстый слой конденсата. Это будет сильно снижать емкость крионасоса, которая может быть в рабочей области. Газ (обычно воздух), будет проникать в адсорбент, т.к. энергия проникновения для этого ниже чем для конденсации на поверхности. Это приведет к снижению уже ограниченной емкости для водорода. Рекомендуется включать крионасос в области высокого и сверхвысокого вакуума с форвакуумным насосом при давлении p < 5×10-2 мбар . При достижении давления запуска форвакуумный насос можно выключить.