Bagaimana cara kerja Cryopump?

Bagikan lewat

Seperti yang mungkin Anda amati, air mengembun pada saluran air dingin atau jendela dan es terbentuk pada unit evaporator di lemari es Anda. Efek kondensasi gas dan uap pada permukaan dingin - khususnya uap air - seperti yang diketahui dalam kehidupan sehari-hari, tidak hanya terjadi pada tekanan atmosfer tetapi juga dalam vakum.

Efek ini telah lama digunakan dalam kondensor terutama terkait dengan proses kimia; sebelumnya baffle pada pompa difusi digunakan untuk didinginkan dengan mesin pendingin. Juga dalam ruang tertutup (ruang vakum), pembentukan kondensat pada permukaan dingin berarti sejumlah besar molekul gas dihilangkan dari volume: molekul tersebut tetap berada di permukaan dingin dan tidak lagi berpartisipasi dalam atmosfer gas yang sibuk di dalam ruang vakum. Kemudian kita katakan bahwa partikel telah dipompa dan bicara tentang pompa kriogenik ketika "efek pemompaan" dicapai melalui permukaan dingin.

Rekayasa kriogenik berbeda dari rekayasa pendinginan karena suhu yang terlibat dalam rekayasa kriogenik berada dalam kisaran di bawah 120 K (< -243.4°F / -153°C). Di sini kita membahas dua pertanyaan:
a) Prinsip pendinginan apa yang digunakan dalam rekayasa kriogenik atau dalam pompa kriogenik dan bagaimana beban termal permukaan dingin mengalihkan atau mengurangi?
b) Apa prinsip pengoperasian pompa kriogenik?

Jenis pompa kriogenik

Tergantung prinsip pendinginan, dibedakan antara

Kriostat bak mandi
Pompa kriogenik aliran berkelanjutan
Pompa kriogenik lemari es

Kriostat Mandi

Dalam kasus kriostat bak - dalam kasus paling sederhana, perangkap dingin yang diisi dengan LN₂ (nitrogen cair) - permukaan pemompaan didinginkan dengan kontak langsung dengan gas cair. Pada permukaan yang didinginkan dengan LN₂ (T ≈ 77 K) H₂ O dan CO₂ dapat mengembun. Pada permukaan yang didinginkan hingga ≈ 10 K, semua gas kecuali He dan Ne dapat dipompa melalui kondensasi. Permukaan yang didinginkan dengan helium cair (T ≈ 4,2 K) mampu mengkondensasi semua gas kecuali helium.

Pompa kriogenik aliran berkelanjutan

Pada pompa kriogenik aliran kontinu, permukaan dingin dirancang untuk beroperasi sebagai penukar panas. Helium cair dalam jumlah yang cukup dipompa oleh pompa tambahan dari reservoir ke evaporator untuk mencapai suhu yang cukup rendah pada permukaan dingin (kriopanel).
Helium cair menguap di penukar panas dan mendinginkan cryopanel. Gas limbah yang dihasilkan (He) digunakan dalam penukar panas kedua untuk mendinginkan baffle pelindung radiasi termal yang melindungi sistem dari radiasi termal yang berasal dari luar. Gas buang helium dingin yang dikeluarkan oleh pompa helium dipasok ke unit pemulihan helium. Suhu pada cryopanel dapat dikontrol dengan mengontrol aliran helium.

Pompa kriogenik lemari es

Saat ini, pompa kriogenik lemari es hampir secara eksklusif digunakan (dingin sesuai permintaan). Pompa-pompa ini pada dasarnya beroperasi dengan cara yang sama seperti lemari es rumah tangga umum, di mana siklus termodinamik berikut menggunakan helium sebagai refrigeran dapat digunakan:

Proses Gifford-McMahon
Proses pengadukan
Proses Brayton
Proses Claude

Proses Gifford-McMahon sebagian besar digunakan saat ini dan proses ini adalah yang paling dikembangkan. Sistem ini menawarkan kemungkinan untuk memisahkan lokasi unit kompresor besar dan unit ekspansi tempat proses pendinginan berlangsung. Dengan demikian, sumber dingin yang ringkas dan rendah getaran dapat dirancang. Seri pompa kriogenik yang diproduksi oleh Leybold beroperasi dengan head dingin dua tahap menurut proses Gifford-McMahon yang dibahas secara rinci di bawah ini.

Seluruh lingkup pompa kriogenik lemari es ditampilkan pada Gambar 2,65 dan terdiri dari unit kompresor (1) yang dihubungkan melalui saluran tekanan fleksibel (2) - sehingga bebas getaran - ke pompa kriogenik (3). Pompa kriogenik itu sendiri terdiri dari casing pompa dan kepala dingin di dalamnya. Helium digunakan sebagai refrigeran yang bersirkulasi dalam siklus tertutup dengan bantuan kompresor.

2.65 Semua item pompa kriogenik lemari es.

Unit kompresor
Saluran tekanan fleksibel
Kepala dingin (tanpa permukaan kondensasi)

Cold head dan prinsip pengoperasiannya

Di dalam head dingin, silinder dibagi menjadi dua ruang kerja V₁ dan V₂ oleh perpindahan. Selama operasi, ruang kanan V1 hangat dan ruang kiri V₂ dingin. Pada frekuensi perpindahan f, daya pendinginan W dari lemari es adalah: (2,26)

2,26

Displacer digerakkan ke depan dan ke belakang secara pneumatik sehingga gas ditekan melalui displacer dan dengan demikian melalui regenerator yang terletak di dalam displacer. Regenerator adalah akumulator panas dengan permukaan dan kapasitas pertukaran panas yang besar, yang berfungsi sebagai penukar panas dalam siklus. Dijelaskan dalam Gambar 2,66 adalah empat fase pendinginan dalam cold head lemari es satu tahap yang beroperasi menurut prinsip Gifford-McMahon.

Gambar 2,66 Fase pendinginan menggunakan head dingin satu tahap yang beroperasi menurut proses Gifford-McMahon.

Tahap 1:
Displacer berada di titik mati kiri; V₂ tempat dingin dihasilkan memiliki ukuran minimum. Katup N tetap tertutup, H terbuka. Gas pada tekanan p_H mengalir melalui regenerator ke V₂. Di sana gas dipanaskan oleh peningkatan tekanan di V₁.

Tahap 2:
Katup H tetap terbuka, katup N tertutup: perpindahan bergerak ke kanan dan mengeluarkan gas dari V₁ melalui regenerator ke V₂ di mana gas didinginkan di regenerator dingin.; V₂ memiliki volume maksimum.

Tahap 3:
Katup H ditutup dan katup N ke reservoir tekanan rendah dibuka. Gas mengembang dari p_H ke pN dan dengan demikian mendingin. Ini menghilangkan panas dari sekitarnya dan diangkut dengan gas yang mengembang ke kompresor.

Tahap 4:
Dengan katup N terbuka, perpindahan bergerak ke kiri; gas dari V _2,maks mengalir melalui regenerator, mendinginkannya dan kemudian mengalir ke volume V₁ dan ke reservoir tekanan rendah. Ini menyelesaikan siklus.

Prinsip Kerja Cold Head Leybold GM

Take a look at this video to see how a cool head works in a cryopump

Head dingin dua tahap

Pompa kriogenik lemari es yang diproduksi seri dari Leybold menggunakan kepala dingin dua tahap yang beroperasi sesuai dengan prinsip Gifford-McMahon (lihat Gambar 2,67). Dalam dua tahap yang terhubung secara seri, suhu helium dikurangi menjadi sekitar 30 K pada tahap pertama dan lebih lanjut menjadi sekitar 10 K pada tahap kedua. Suhu rendah yang dapat dicapai tergantung, antara lain, pada jenis regenerator. Umumnya tembaga perunggu digunakan dalam regenerator tahap pertama dan timbal pada tahap kedua. Bahan lain tersedia sebagai regenerator untuk aplikasi khusus seperti kriostat untuk suhu yang sangat rendah (T < 10 K). Desain kepala dingin dua tahap ditampilkan secara skematis pada Gambar 2.67. Melalui mekanisme kontrol dengan katup kontrol yang digerakkan oleh motor (18) dengan disk kontrol (17) dan lubang kontrol terlebih dahulu, tekanan dalam volume kontrol (16) diubah yang menyebabkan penggeser (6) tahap pertama dan tahap kedua (11) bergerak; segera setelah itu, tekanan dalam seluruh volume silinder diseimbangkan oleh mekanisme kontrol. Kepala dingin dihubungkan melalui saluran tekanan fleksibel ke kompresor.

Gambar 2,67 Diagram kepala dingin dua tahap.

Sambungan listrik dan feedthrough arus untuk motor di kepala dingin
Sambungan tekanan tinggi
Sambungan tekanan rendah
Silinder, tahap 1
Perpindahan, tahap 1
Regenerator, tahap 1
Volume ekspansi, tahap 1
Tahap 1 (pendinginan) (flensa tembaga)
Silinder, tahap 2
Displacer, tahap ke-2
Regenerator, tahap ke-2
Volume ekspansi, tahap ke-2
Tahap ke-2 (pendinginan) (flensa tembaga)
Ruang pengukuran untuk tekanan uap
Piston kontrol
Kontrol volume suara
Disk kontrol
Katup kontrol
Pengukur untuk termometer tekanan uap hidrogen
Motor di kepala dingin

Desain pompa kriogenik lemari es

Gambar 2,68 menunjukkan desain pompa kriogenik. Produk ini didinginkan oleh head dingin dua tahap. Pelindung radiasi termal (5) dengan baffle (6) terhubung erat secara termal ke tahap pertama (9) kepala dingin. Untuk tekanan di bawah 10-3 mbar, beban termal sebagian besar disebabkan oleh radiasi termal. Untuk alasan ini, tahap kedua (7) dengan panel kondensasi dan kriosorpsi (8) dikelilingi oleh pelindung radiasi termal (5) yang berwarna hitam di bagian dalam dan dipoles serta berlapis nikel di bagian luar. Dalam kondisi tanpa beban, baffle dan pelindung radiasi termal (tahap pertama) mencapai suhu antara 50 hingga 80 K pada cryopanel dan sekitar 10 K pada tahap kedua. Suhu permukaan cryopanel ini menentukan proses pemompaan aktual. Suhu permukaan ini bergantung pada daya pendinginan yang disuplai oleh cold head, dan sifat konduksi termal ke arah casing pompa. Selama pengoperasian pompa kriogenik, muatan yang disebabkan oleh gas dan panas kondensasi mengakibatkan pemanasan lebih lanjut pada panel kriogenik. Suhu permukaan tidak hanya bergantung pada suhu cryopanel, tetapi juga pada suhu gas yang telah membeku pada cryopanel. Cryopanel (8) yang terpasang pada tahap kedua (7) kepala dingin dilapisi dengan arang aktif di bagian dalam agar dapat memompa gas yang tidak mudah terkondensasi dan yang hanya dapat dipompa melalui kriosorpsi (lihat di bawah).

Gambar 2,68 Desain pompa kriogenik lemari es (diagram skematis).

Flensa vakum tinggi
Rumah pompa
Flensa vakum awal
Katup pengaman untuk pembuangan gas
Pelindung radiasi termal
Baffle
tahap ke-2 kepala dingin (≈10 K);
Cryopanels
Tahap 1 kepala dingin (≈ 50 - 80 K)
Pengukur untuk termometer tekanan uap hidrogen
Sambungan gas helium
Motor kepala dingin dengan casing dan sambungan listrik

Lihat video di bawah ini untuk melihat animasi pemompaan pompa kriogenik dalam tindakan

Leybold COOLVAC iCL

Mengikat gas ke permukaan dingin

Konduktivitas termal gas yang terkondensasi (padat) sangat bergantung pada strukturnya dan dengan demikian pada cara kondensat diproduksi. Variasi dalam konduktivitas termal dalam beberapa urutan besar mungkin terjadi! Saat ketebalan kondensat meningkat, resistansi termal dan dengan demikian suhu permukaan meningkat, sehingga mengurangi kecepatan pemompaan. Kecepatan pompa maksimum dari pompa yang baru diregenerasi dinyatakan sebagai kecepatan pompa nominalnya. Proses pengikatan untuk berbagai gas dalam pompa kriogenik dilakukan dalam tiga langkah: pertama, campuran gas dan uap yang berbeda bertemu baffle yang bersuhu sekitar 80 K. Di sini sebagian besar H₂ O dan CO₂ terkondensasi. Gas yang tersisa menembus baffle dan menabrak bagian luar cryopanel tahap kedua yang didinginkan hingga sekitar 10 K. Di sini gas seperti N₂, O₂ atau Ar akan mengembun. Hanya H₂, He, dan Ne yang akan tersisa. Gas-gas ini tidak dapat dipompa oleh cryopanel dan lulus setelah beberapa benturan dengan pelindung radiasi termal ke bagian dalam panel ini yang dilapisi dengan adsorben (panel kriosorpsi) di mana mereka terikat dengan kriosorpsi. Oleh karena itu, untuk tujuan mempertimbangkan pompa kriogenik, gas dibagi menjadi tiga kelompok tergantung pada suhu di dalam pompa kriogenik di mana tekanan parsialnya turun di bawah 10 ^-9 mbar:

Perbedaan antara mekanisme ikatan yang berbeda adalah sebagai berikut:

Kondensasi kriogenik

Kriyokondensasi adalah ikatan fisik dan reversibel molekul gas melalui gaya Van der Waals pada permukaan yang cukup dingin dari bahan yang sama. Energi ikatan sama dengan energi penguapan gas padat yang terikat ke permukaan dan dengan demikian berkurang seiring dengan meningkatnya ketebalan kondensat serta tekanan uap. Kriosorpsi adalah ikatan fisik dan reversibel molekul gas melalui gaya Van der Waals pada permukaan bahan lain yang cukup dingin. Energi ikatan sama dengan panas adsorpsi yang lebih besar daripada panas penguapan. Segera setelah lapisan tunggal terbentuk, molekul berikutnya menabrak permukaan yang sama (penyerap) dan proses tersebut berubah menjadi kriokondensasi. Energi ikatan yang lebih tinggi untuk kriokondensasi mencegah pertumbuhan lebih lanjut dari lapisan kondensat sehingga membatasi kapasitas untuk gas yang diserap. Namun, adsorben yang digunakan, seperti arang aktif, silika gel, gel alumina dan saringan molekuler, memiliki struktur berpori dengan area permukaan spesifik yang sangat besar sekitar 10⁶m² /kg. Cryotrapping dipahami sebagai inklusi gas titik didih rendah yang sulit dipompa seperti hidrogen, dalam matriks gas dengan titik didih yang lebih tinggi dan yang dapat dipompa dengan mudah seperti Ar, CH4 atau CO2. Pada suhu yang sama, campuran kondensat memiliki tekanan uap saturasi yang beberapa urutan lebih rendah daripada kondensat murni gas dengan titik didih yang lebih rendah.

Mengingat posisi cryopanel dalam pompa kriogenik, konduktansi dari flensa vakum ke permukaan ini dan juga urutan pemompaan subtraktif (yang sudah terkondensasi di baffle tidak dapat tiba di tahap kedua dan mengkonsumsi kapasitas di sana), situasinya muncul seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.69.

Gambar 2,69 Cryopanel - suhu dan posisi menentukan efisiensi dalam pompa kriogenik.

Hidrogen - Uap air - Nitrogen
Konduktivitas terkait area flensa saluran masuk dalam l / dtk · cm²:
43,9           -      14,7         -      11,8
Kecepatan pemompaan pompa kriogenik terkait area dalam l / dtk · cm²:
13,2          -       14,6         -        7,1
Rasio antara kecepatan pemompaan dan konduktansi:
30 %          -       99 %       -      60 %

Molekul gas yang memasuki pompa menghasilkan kecepatan pemompaan teoritis terkait area menurut persamaan 2.29a dengan T = 293 K. Kecepatan pemompaan yang berbeda telah digabungkan untuk tiga gas perwakilan H₂, N₂, dan H₂ 0 yang diambil dari masing-masing kelompok yang disebutkan di atas. Karena uap air dipompa di seluruh area masuk pompa kriogenik, kecepatan pemompaan yang diukur untuk uap air hampir sama persis dengan kecepatan pemompaan teoritis yang dihitung untuk flensa masuk pompa kriogenik. N _2,di sisi lain, harus terlebih dahulu mengatasi baffle sebelum dapat diikat ke panel kriokondensasi. Tergantung pada desain baffle, 30 hingga 50 persen dari semua molekul N₂ dipantulkan.

(2.29a)

H₂ tiba di panel kriosorpsi setelah tabrakan lebih lanjut dan dengan demikian mendinginkan gas. Dalam kasus cryopanel yang dirancang secara optimal dan kontak yang baik dengan arang aktif, hingga 50 persen H₂ yang telah mengatasi baffle dapat diikat. Karena pembatasan mengenai akses ke permukaan pemompaan dan pendinginan gas melalui tabrakan dengan dinding di dalam pompa sebelum gas mencapai permukaan pemompaan, kecepatan pemompaan yang diukur untuk kedua gas ini hanya sepersekian dari kecepatan pemompaan teoritis. Bagian yang tidak dipompa terutama dipantulkan oleh baffle. Selain itu, probabilitas adsorpsi untuk H₂ berbeda di antara berbagai adsorben dan < 1, sedangkan probabilitas untuk kondensasi uap air dan N₂2 ≈ 1.

Tiga kapasitas pompa yang berbeda untuk gas yang dapat dipompa berasal dari ukuran tiga permukaan (baffle, permukaan kondensasi di luar tahap kedua dan permukaan penyerapan di dalam tahap kedua). Dalam desain pompa kriogenik, komposisi gas rata-rata (udara) diasumsikan yang secara alami tidak berlaku untuk semua proses vakum (misalnya proses sputtering). Lihat "Regenerasi Parsial," di bawah.)

Kuantitas karakteristik pompa kriogenik

Kuantitas karakteristik pompa kriogenik adalah sebagai berikut (tidak dalam urutan tertentu):

Waktu pendinginan
Nilai pergantian
Tekanan tertinggi
Kapasitas
Daya pendingin dan daya pendingin bersih
Waktu regenerasi
Throughput dan aliran pV maksimum
Kecepatan pompa
Masa pakai atau durasi pengoperasian
Tekanan awal

Waktu pendinginan

Waktu pendinginan pompa kriogenik adalah rentang waktu dari penyalaan hingga efek pemompaan dimulai. Dalam kasus pompa kriogenik refrigerator, waktu pendinginan dinyatakan sebagai waktu yang diperlukan untuk tahap kedua kepala dingin untuk mendinginkan dari 293 K hingga 20 K.

Nilai pergantian

Nilai crossover adalah kuantitas karakteristik dari pompa kriogenik lemari es yang sudah dingin. Hal ini penting ketika pompa disambungkan ke ruang vakum melalui katup HV / UHV. Nilai crossover adalah jumlah gas yang berkaitan dengan T_n =293 K yang dapat dikandung ruang vakum secara maksimal sehingga suhu kriopanel tidak meningkat di atas 20 K karena ledakan gas saat membuka katup. Nilai crossover biasanya dinyatakan sebagai nilai pV dalam mbar · l.

Nilai persilangan dan volume ruang V menghasilkan tekanan persilangan pc yang harus dikeluarkan dari ruang vakum terlebih dahulu sebelum membuka katup yang mengarah ke pompa kriogenik. Berikut ini dapat berfungsi sebagai panduan:

(2,27)

V = Volume ruang vakum (l),
Q2(20K) = Kapasitas pendinginan bersih dalam Watt, tersedia pada tahap kedua kepala dingin pada 20 K.

Tekanan tertinggi p _ujung

Untuk kasus kriokondensasi (lihat "Pengikatan gas ke permukaan dingin," di atas) tekanan tertinggi dapat dihitung dengan:

(2,28)

p_Sadalah tekanan uap saturasi gas atau gas yang akan dipompa pada suhu TK dari cryopanel dan T_G adalah suhu gas (suhu dinding di sekitar cryopanel).

Contoh: Dengan bantuan kurva tekanan uap di Gambar 9,15 untuk H₂ dan N₂ tekanan akhir yang dirangkum dalam Tabel 2,6 pada hasil TG = 300 K.

Gambar 9,15 Tekanan uap saturasi ps dari berbagai zat yang relevan untuk teknologi kriogenik dalam kisaran suhu T = 2 - 80 K.

Tabel menunjukkan bahwa untuk hidrogen pada suhu T < 3 K pada suhu gas T_G = 300 K (yaitu ketika cryopanel terpapar radiasi termal dari dinding) tekanan tertinggi yang cukup rendah dapat diperoleh. Karena sejumlah faktor yang mengganggu seperti desorpsi dari dinding dan kebocoran, tekanan teoritis tertinggi tidak tercapai dalam praktiknya.

Tabel 2,6 Suhu akhir pada suhu dinding 300 K

Kapasitas C (mbar · l)

Kapasitas pompa kriogenik untuk gas tertentu adalah jumlah gas (nilai pV pada Tn = 293 K) yang dapat diikat oleh cryopanel sebelum kecepatan pemompaan untuk jenis gas G ini turun di bawah 50% dari nilai awalnya.
Kapasitas untuk gas yang dipadatkan melalui kriosorpsi bergantung pada kuantitas dan sifat agen penyerapan; kapasitas ini tergantung pada tekanan dan umumnya beberapa urutan lebih rendah dibandingkan dengan kapasitas independen tekanan untuk gas yang dipadatkan melalui kriokondensasi.

Daya pendingin Q. (W)

Daya pendingin dari sumber pendingin pada suhu T memberikan jumlah panas yang dapat diekstraksi oleh sumber pendingin sementara tetap mempertahankan suhu ini. Dalam kasus lemari es, telah disepakati untuk menyatakan daya pendinginan pada 80 K untuk cold head satu tahap dan untuk cold head dua tahap daya pendinginan untuk tahap pertama pada 80 K dan untuk tahap kedua pada 20 K ketika memuat kedua tahap secara termal secara bersamaan. Selama pengukuran daya pendinginan, beban termal dihasilkan oleh pemanas listrik. Daya pendinginan tertinggi pada suhu ruangan dan terendah (Nol) pada suhu akhir.

Daya pendinginan bersih Q. (W)

Dalam kasus pompa kriogenik lemari es, daya pendinginan bersih yang tersedia pada suhu pengoperasian biasa (T1 < 80 K, T2 < 20 K) secara substansial menentukan throughput dan nilai crossover. Jaringan. daya pendinginan - tergantung pada konfigurasi pompa - jauh lebih rendah daripada daya pendinginan kepala dingin yang digunakan tanpa pompa.

aliran pV

Lihat halaman Jenis Aliran

Waktu regenerasi

Sebagai perangkat perangkap gas, pompa kriogenik harus diregenerasi setelah jangka waktu pengoperasian tertentu. Regenerasi melibatkan pembuangan gas yang terkondensasi dan diserap dari cryopanel dengan pemanasan. Regenerasi dapat dijalankan sepenuhnya atau hanya sebagian dan terutama berbeda dalam cara pemanasan panel kriogenik.

Untuk regenerasi total, dibedakan antara:

Pemanasan alami: setelah mematikan kompresor, cryopanel pada awalnya hanya memanas dengan sangat perlahan melalui konduksi termal dan kemudian melalui gas yang dilepaskan.
Metode gas pembersih: pompa kriogenik dipanaskan dengan memasukkan gas pembersih hangat.
Pemanas listrik: cryopanel pompa kriogenik dipanaskan oleh pemanas pada tahap pertama dan kedua. Gas yang dilepaskan dibuang baik melalui katup tekanan berlebih (metode gas pembersih) atau dengan pompa cadangan mekanis. Tergantung pada ukuran pompa, Anda harus mengharapkan waktu regenerasi selama beberapa jam.

Regenerasi sebagian

Karena batasan masa pakai pompa kriogenik di sebagian besar aplikasi bergantung pada batas kapasitas gas nitrogen, argon, dan hidrogen yang dipadatkan oleh tahap kedua, sering kali diperlukan untuk meregenerasi hanya tahap ini. Uap air ditahan selama regenerasi parsial oleh baffle. Untuk itu, suhu tahap pertama harus dijaga di bawah 140 K atau tekanan parsial uap air akan menjadi sangat tinggi sehingga molekul air akan mencemari adsorben pada tahap kedua.

Pada tahun 1992, Leybold adalah produsen pompa kriogenik pertama yang mengembangkan metode yang memungkinkan regenerasi parsial semacam itu. Proses regenerasi cepat ini dikontrol oleh mikroprosesor dan memungkinkan regenerasi parsial pompa kriogenik dalam waktu sekitar 40 menit dibandingkan dengan 6 jam yang diperlukan untuk regenerasi total berdasarkan metode gas pembersih. Perbandingan antara siklus umum untuk regenerasi total dan parsial ditampilkan di Gambar 2.70. Waktu yang dihemat oleh Sistem Regenerasi Cepat terlihat jelas. Dalam lingkungan produksi untuk proses sputtering umum, Anda harus mengharapkan satu regenerasi total setelah 24 regenerasi parsial.

Gambar 2,70 Perbandingan antara regenerasi total (1) dan parsial (2)

Throughput dan aliran pV maksimum: (mbar l/s)

Throughput pompa kriogenik untuk gas tertentu bergantung pada aliran pV gas G melalui bukaan masuk pompa:

Q_G = q _pV,G; persamaan berikut berlaku
Q_G = p_G · S_G dengan
p_G = tekanan masuk,
S_G = kapasitas pemompaan gas G

Aliran pV maksimum di mana cryopanel dipanaskan hingga T ≈ 20 K dalam kasus pengoperasian berkelanjutan, tergantung pada daya pendinginan bersih pompa pada suhu ini dan jenis gas. Untuk pompa kriogenik lemari es dan gas yang dapat dikondensasi, berikut ini dapat diambil sebagai panduan:

Q.2 (20 K) adalah daya pendinginan bersih dalam Watt yang tersedia pada tahap kedua panas dingin pada 20 K. Dalam kasus pengoperasian intermiten, aliran p_V yang lebih tinggi diperbolehkan (lihat nilai crossover).

Kecepatan pompa S_th

Berikut ini berlaku untuk kecepatan pemompaan (teoritis) pompa kriogenik:

(2,29)

A_K - Ukuran cryopanel
S_A - Kecepatan pemompaan terkait area permukaan (tingkat benturan terkait area menurut persamaan 1,17 dan 1,20, proporsional terhadap kecepatan rata-rata molekul gas ke arah cryopanel).
α - Kemungkinan kondensasi (pemompaan)
p _end - Tekanan tertinggi (lihat di atas)
p - Tekanan dalam ruang vakum

(1,17)

(1,20)

Persamaan (2,29) berlaku untuk cryopanel yang dibangun ke dalam ruang vakum, yang luas permukaannya kecil dibandingkan dengan permukaan ruang vakum. Pada suhu yang cukup rendah α = 1 untuk semua gas. Persamaan (2,29) menunjukkan bahwa untuk p >> pend ekspresi dalam kurung mendekati 1 sehingga dalam kasus oversaturated p >> pend > Ps sehingga:

(2.29a)

TG - Suhu gas dalam K
M - Massa molar

Diberikan dalam Tabel 2,7 adalah kecepatan pemompaan terkait area permukaan SA dalam l · s ^-1 · cm ^-2 untuk beberapa gas pada dua suhu gas berbeda T_G dalam K yang ditentukan menurut persamaan 2.29a. Nilai yang dinyatakan dalam Tabel adalah nilai batas. Dalam praktiknya, kondisi keseimbangan yang hampir tidak terganggu (kryopanel kecil dibandingkan dengan permukaan dinding yang besar) sering kali tidak benar, karena kryopanel besar diperlukan untuk mencapai waktu pemompaan yang singkat dan vakum akhir yang baik. Penyimpangan juga terjadi ketika cryopanel dikelilingi oleh baffle yang didinginkan di mana kecepatan molekul yang menembus sudah berkurang dengan pendinginan.

Tabel 2,7 Kecepatan pemompaan terkait permukaan untuk beberapa gas

Masa pakai atau durasi pengoperasian: atas (s)

Durasi pengoperasian pompa kriogenik untuk gas tertentu tergantung pada persamaan:

dengan

C_G = Kapasitas pompa kriogenik untuk gas G
Q_G (t) = Throughput pompa kriogenik untuk gas pada waktu t

Jika rata-rata konstan dari waktu ke waktu untuk QG hasil diketahui, berikut ini berlaku:

(2,30)

Setelah periode pengoperasian t _op,G telah berlalu, pompa kriogenik harus diregenerasi sehubungan dengan jenis gas G.

Tekanan awal p_o

Pada dasarnya, dimungkinkan untuk memulai pompa kriogenik pada tekanan atmosfer. Namun, ini tidak diinginkan karena beberapa alasan. Selama jalur bebas rata-rata molekul gas lebih kecil dari dimensi ruang vakum (p > 10 ^-3 mbar), konduktivitas termal gas sangat tinggi sehingga jumlah panas yang tidak dapat diterima ditransfer ke kriopanel. Selain itu, lapisan kondensat yang relatif tebal akan terbentuk pada cryopanel selama penyalaan. Ini akan secara signifikan mengurangi kapasitas pompa kriogenik yang tersedia untuk fase pengoperasian aktual. Gas (biasanya udara) akan terikat pada adsorben, karena energi ikatan untuk ini lebih rendah daripada energi ikatan untuk permukaan kondensasi. Hal ini akan lebih mengurangi kapasitas hidrogen yang sudah terbatas. Disarankan agar pompa kriogenik dalam kisaran vakum tinggi atau ultratinggi dimulai dengan bantuan pompa cadangan pada tekanan p < 5 · 10 ^-2 mbar. Setelah tekanan awal tercapai, pompa cadangan dapat dimatikan.

Blog & Wiki Pump Types Vacuum Generation Vacuum Fundamentals