극저온 펌프는 어떻게 작동합니까?

공유 방법

관찰한 바와 같이 급수 본관이나 창문에서 물이 응축되고 냉동기의 증발기에 얼음이 형성됩니다. 차가운 표면에서 기체와 증기(특히 수증기)가 응축되는 효과는 대기압은 물론 진공에서도 발생합니다.

이 효과는 주로 화학 공정과 관련된 응축기에서 오랜 시간 동안 활용되었습니다. 이전에는 냉장 기계로 냉각하기 위해 사용되는 확산 펌프의 배플이 사용되었습니다. 또한 밀폐된 공간(진공 챔버)에서는 차가운 표면에 응축수가 형성되어 대량의 기체 분자가 부피에서 제거되고, 차가운 표면에 남은 채 진공 챔버 내의 포화 기체 대기에 더 이상 개입하지 않습니다. 그런 다음 "펌핑 효과"가 차가운 표면을 통해 달성될 때 입자가 펌핑되고 이를 극저온 펌프라 합니다.

극저온 엔지니어링은 극저온 엔지니어링에 관련된 온도가 120K(<-243.4°F/-153°C) 미만이라는 점에서 냉장 엔지니어링과 다릅니다. 여기서는 두 가지 질문에 대해 다룹니다.
a) 극저온 엔지니어링 또는 극저온 펌프에서 사용되는 냉각 원리는 무엇이며, 차가운 표면의 열 부하는 어떻게 사라지거나 감소합니까?
b) 극저온 펌프의 작동 원리는 무엇입니까?

극저온 펌프의 유형

냉각 원리에 따라 발생하는 차이

배스 극저온 유지 장치
연속 유동 극저온 펌프
냉동기 극저온 펌프

배스 극저온 유지 장치

배스 극저온 유지 장치의 경우 대체로 LN₂(액체 질소)로 채워진 콜드 트랩에서 펌프 표면이 액화 기체와 직접 접촉하여 냉각됩니다. LN₂ (T ≈ 77 K) H₂O 및 CO₂로 냉각된 표면에서는 응축이 가능합니다. 표면 온도가 약 10K로 냉각된 경우 헬륨과 네온을 제외한 모든 기체가 응결로 인해 펌핑될 수 있습니다. 액체 헬륨(T ≈ 4.2 K)으로 냉각된 표면은 헬륨을 제외한 모든 기체를 응축할 수 있습니다.

연속 유동 극저온 펌프

연속 유동 극저온 펌프는 저온 표면이 열 교환기로 작동하도록 설계되었습니다. 충분한 양의 액체 헬륨은 차가운 표면(극저온 패널)에서 충분히 낮은 온도를 달성하기 위해 보조 펌프에서 증발기로 펌핑됩니다.
액체 헬륨은 열 교환기에서 증발하여 극저온 패널을 냉각합니다. 생성된 폐기체(헬륨)는 두 번째 열 교환기에서 사용되어 외부로부터의 열 방사로부터 시스템을 보호하는 열 방사 차폐의 배플을 냉각합니다. 헬륨 펌프에 의해 배출된 차가운 헬륨 배기 기체는 헬륨 회수 장치로 공급됩니다. 극저온 패널의 온도는 헬륨 흐름을 제어하여 유지할 수 있습니다.

냉동기 극저온 펌프

오늘날 냉동기 극저온 펌프는 거의 독점적으로 사용되고 있습니다(수요에 따라 냉각). 이러한 펌프는 기본적으로 일반 가정용 냉장고와 동일한 방식으로 작동하며, 냉매로 헬륨을 사용하여 다음과 같은 열역학 사이클을 사용할 수 있습니다.

기포드-맥마흔 공정
스털링 공정
브레이턴 공정
클로드 공정

기포드-맥마흔 공정은 현재 가장 많이 사용되며, 가장 발전된 공정입니다. 대형 압축기 장치의 위치와 냉장 공정이 이루어지는 팽창 장치의 위치를 분리할 수 있습니다. 따라서 작고 진동이 적은 냉각원을 설계할 수 있습니다. Leybold가 제조한 극저온 펌프 시리즈는 이후 자세히 다루는 기포드-맥마흔 공정에 따라 2단계 콜드 헤드로 작동합니다.

냉동기 극저온 펌프의 전체 범위는 그림 2.65에 나와 있으며, 유연한 압력 라인(2)을 통해 진동 없이 극저온 펌프(3)에 연결된 압축기 장치(1)로 구성됩니다. 극저온 펌프 자체는 펌프 케이싱과 그 안의 콜드 헤드로 구성됩니다. 헬륨은 압축기를 사용하여 폐쇄 사이클에서 순환하는 냉매로 사용됩니다.

2.65 냉동기 극저온 펌프의 모든 품목.

압축기 장치
유연 압력 라인
콜드 헤드(응축 표면 없음)

콜드 헤드와 작동 원리

콜드 헤드 내에서 실린더는 왕복기에 의해 두 개의 작업 공간, V₁과 V₂로 나뉩니다. 작동 중에 오른쪽 공간 V1이 따뜻하며 왼쪽 공간 V₂는 차갑습니다. 왕복기 주파수 f에서 냉동기의 냉매 출력 W는 (2.26)과 같습니다.

2.26

왕복기는 공압식으로 이동하므로 기체는 왕복기를 통과하고 왕복기 내부에 있는 재생기를 통과하게 됩니다. 재생기는 큰 열 교환 표면과 용량을 갖춘 열 축적기로, 사이클 내에서 열 교환기로 작동합니다. 그림 2.66은 기포드-맥마흔 원칙에 따라 작동하는 1단계 냉동기 콜드 헤드의 냉장 4단계를 보여줍니다.

그림 2.66 기포드-맥마흔 공정에 따라 작동하는 Gifford-McMahon 프로세스에 따라 작동하는 1단계 콜드 헤드를 사용한 재제조 단계.

1단계:
왕복기는 왼쪽 정중앙에 있고, 저온이 생성되는 V₂의 크기는 최소입니다. 밸브 N은 폐쇄되고 H는 개방되어 있습니다. 압력 p_H에서 기체는 재생기를 통해 V₂로 흐릅니다. 기체는 V₁의 압력 증가를 통해 예열됩니다.

2단계:
밸브 H는 개방되고 N은 폐쇄됩니다. 왕복기는 오른쪽으로 이동하여 V₁에서 재생기를 거쳐 V₂로 기체를 배출합니다. 기체는 저온 재생기에서 냉각됩니다. V₂는 최대 부피가 됩니다.

3단계:
밸브 H가 폐쇄되고 저압 저장소의 밸브 N이 개방됩니다. 기체는 p_H에서 pN으로 팽창되고 냉각됩니다. 이렇게 하면 주변의 열이 제거되고 팽창된 기체와 함께 압축기로 이동합니다.

4단계:
밸브 N이 개방되면 왕복기가 왼쪽으로 이동합니다. V_2,max의 기체는 재생기로 흘러 냉각되고 V₁로 흐른 다음 저압 저장소로 흐릅니다. 이렇게 하면 사이클이 완료됩니다.

Leybold GM 콜드 헤드 작동 원리

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

2단계 콜드 헤드

Leybold에서 제조하는 냉동기 극저온 펌프 시리즈는 기포드-맥마흔 원칙에 따라 작동하는 2단계 콜드 헤드를 사용합니다(그림 2.67 참조). 2개의 직렬 연결 단계에서 헬륨의 온도가 첫 번째 단계에서 약 30K로 감소하고 두 번째 단계에서는 약 10K로 감소합니다. 달성 가능한 낮은 온도는 재생기의 종류에 따라 다릅니다. 일반적으로 구리가루가 첫 번째 단계의 재생기에서 사용되고 두 번째 단계의 재생기에서는 납이 사용됩니다. 매우 낮은 온도(T < 10K)에 대한 극저온 유지 장치와 같은 특수 용도를 위한 재생기로 사용할 수 있는 다른 재료가 있습니다. 2단계 콜드 헤드의 설계는 그림 2.67에 체계적으로 표시되어 있습니다. 제어 디스크(17)와 제어 구멍이 있는 모터 구동 제어 밸브(18)를 사용하는 제어 메커니즘에 의해 먼저 제어 체적(16)의 압력이 변경되어 첫 번째 단계의 왕복기(6)가 두 번째 단계(11)가 이동합니다. 그 직후 실린더 전체 부피의 압력이 제어 메커니즘에 의해 균등화됩니다. 콜드 헤드는 유연 압력 라인을 통해 압축기에 연결됩니다.

그림 2.67 2단계 콜드 헤드의 다이어그램

콜드 헤드의 모터용 전기 연결부 및 전류 피드스루
헬륨 고압 연결부
헬륨 저압 연결부
실린더, 1단계
왕복기, 1단계
재생기, 1단계
팽창 체적, 1단계
1단계(냉각) (구리 플랜지)
실린더, 2단계
왕복기, 2단계
재생기, 2단계
팽창 체적, 2단계
2단계(냉각) (구리 플랜지)
증기 압력 측정 챔버
제어 피스톤
제어 체적
제어 디스크
제어 밸브
수소 증기 압력 온도계 게이지
콜드 헤드의 모터

냉동기 극저온 펌프의 설계

그림 2.68은 극저온 펌프의 설계를 보여줍니다. 펌프는 2단계 콜드 헤드로 냉각됩니다. 배플(6)이 있는 열 방사선 차폐(5)는 콜드 헤드의 첫 번째 단계(9)와 열적으로 밀접하게 연결되어 있습니다. 압력이 10^-3mbar 미만인 경우 열 부하는 대부분 열 복사에 의해 발생합니다. 이러한 이유로 응축 및 극저온 흡착 패널(8)이 있는 두 번째 단계(7)는 내부에 검은색으로 되어 있는 열 방사 차폐(5)와 바깥쪽에 도금된 니켈로 둘러싸여 있습니다. 무부하 조건에서 배플 및 열 방사 차폐(1단계)는 극저온 패널에서 50~80K, 2단계에서 약 10K 범위의 온도를 유지합니다. 이 극저온 패널의 표면 온도는 실제 펌핑 공정에 결정적인 역할을 합니다. 이러한 표면 온도는 콜드 헤드가 공급하는 냉매 전력과 펌프 케이싱 방향의 열 전도 속성에 따라 달라집니다. 극저온 펌프 작동 중 기체와 응축 열로 인해 발생하는 부하에 따라 극저온 패널이 추가로 가열됩니다. 표면 온도는 극저온 패널의 온도뿐 아니라 극저온 패널에서 이미 냉동된 기체의 온도에도 영향을 줍니다. 콜드 헤드의 두 번째 단계(7)에 부착된 극저온 패널(8)은 내부가 활성탄으로 코팅되어 있어 쉽게 응축되지 않고 극저온 흡착으로만 펌핑할 수 있는 기체를 펌핑할 수 있습니다(아래 참조).

그림 2.68 냉동기 극저온 펌프의 설계(계통도).

고진공 플랜지
펌프 케이싱
전진공 플랜지
기체 배출용 안전 밸브
열 방사 차폐
배플
콜드 헤드의 두 번째 단계( ≈ 10K),
극저온 패널
콜드 헤드의 첫 번째 단계( ≈ 50~80K)
수소 증기 압력 온도계 게이지
헬륨 가스 연결부
케이싱 및 전기 연결부가 있는 콜드 헤드의 모터

아래 비디오를 통해 극저온 펌프의 펌핑 애니메이션 확인

Leybold COOLVAC iCL

차가운 표면에 기체 접착

응축된(고체) 기체의 열 전도도는 그 구조와 응축이 생성되는 방식에 따라 크게 달라집니다. 매우 큰 규모의 열 전도도 규모 차이도 가능합니다! 응축의 두께가 증가하면 열 저항과 표면 온도가 높아지므로 펌핑 속도가 감소합니다. 새로 재생된 펌프의 최대 펌핑 속도는 공칭 펌핑 속도로 표시됩니다. 극저온 펌프에서 다양한 기체에 대한 접착 공정은 다음 세 단계로 실시됩니다. 먼저 서로 다른 기체와 증기의 혼합물은 약 80K의 온도에서 배플과 접합니다. 여기서 대부분의 H₂O와 CO₂가 응축됩니다. 나머지 기체는 배플 안으로 침투하여 두 번째 단계에서 약 10K로 냉각되는 극저온 패널 외부에 충돌합니다. 이 경우 N₂, O₂또는 Ar과 같은 기체가 응축됩니다. H₂ He 및 Ne만 남게 됩니다. 이러한 기체는 극저온 패널에서 펌핑할 수 없으며 저온 흡착에 의해 접착되는 흡착제로 코팅된 패널(극저온 흡착 패널) 내부에 있는 열 복사 차폐와 여러 차례 충돌한 후 통과됩니다. 따라서 극저온 펌프의 목적을 고려하면 이러한 기체는 극저온 펌프 내에서 부분 압력이 10^-9mbar 미만으로 떨어지는 수준에 따라 세 그룹으로 나뉩니다.

다음과 같이 서로 다른 접착 메커니즘 간에 차이가 발생합니다.

극저온 응축

극저온 응축이란 동일한 물질의 충분히 차가운 표면에 반데르발스 힘을 통해 기체 분자를 물리적으로 및 가역적으로 접착하는 것입니다. 접착 에너지는 표면에 접착된 고체화된 기체의 기화 에너지와 동일하므로 증기 압력과 마찬가지로 응축의 두께가 증가하면 감소합니다. 극저온 흡착은 다른 물질의 충분히 차가운 표면에 반데르발스 힘을 통해 기체 분자를 물리적으로 및 가역적으로 접착하는 것입니다. 접착 에너지는 흡착 열과 같으며 이는 기화 열보다 큽니다. 단층이 형성되면 즉시 다음 분자는 동일한 종류의 표면(흡착제)과 충돌하고 공정은 극저온 응축으로 변환됩니다. 극저온 응축의 더 높은 결합 에너지로 인해 응축층의 증식이 방지되어 흡착된 기체의 용량 역시 제한됩니다. 하지만 활성탄, 실리카 겔, 알루미나 겔, 분자 체와 같이 사용되는 흡착제는 약 10⁶m²/kg의 매우 넓은 표면적을 가진 다공성 구조를 가지고 있습니다. 극저온 포집은 수소와 같이 펌핑하기 어려운 저비등점 기체를 비등점이 높고 펌핑하기 쉬운 Ar, CH4 또는 CO2 등의 기체 군집에 포함시키는 것입니다. 동일한 온도에서 응축수 혼합물은 비등점이 낮은 기체의 순수 응축액보다 훨씬 낮은 포화 증기 압력을 갖습니다.

극저온 펌프에서 극저온 패널의 위치, 진공 플랜지에서 이 표면까지의 전도, 그리고 제거식 펌핑 시퀀스(배플에서 이미 응축된 것이 두 번째 단계에 도달하여 공간을 차지할 수 없음)를 고려할 때, 상황은 그림 2.69에 나와 있는 것처럼 발생합니다.

그림 2.69 극저온 패널 - 온도 및 위치가 극저온 펌프의 효율성을 정의

수소 - 수증기 - 질소
흡기 플랜지의 영역 관련 전도도(l / s · cm²):
43.9           -      14.7         -      11.8
극저온 펌프의 영역 관련 펌핑 속도(l / s · cm²):
13.2          -       14.6         -        7.1
펌핑 속도와 전도도 사이의 비율:
30 %          -       99 %       -      60 %

펌프로 들어가는 기체 분자는 등식 2.29a(T = 293K)에 따라 이론적으로 펌핑 속도와 관련된 영역을 생성합니다. 앞서 언급한 그룹 각각에서 가져온 세 가지 대표 기체 H₂, N₂ 및 H₂0에 대해 각기 다른 펌핑 속도와 조합되었습니다. 수증기가 극저온 펌프의 전체 진입 영역에서 펌핑되기 때문에 수증기에 대해 측정된 펌핑 속도는 극저온 펌프의 흡기 플랜지에 대해 계산된 이론상 펌핑 속도와 거의 일치합니다. 반대로 N₂는 극저온 응축 패널에 접착되기 전에 먼저 배플을 통과해야 합니다. 배플 설계에 따라 모든 N₂ 분자의 30~50%가 반사됩니다.

(2.29a)

H₂는 충돌 후 극저온 흡착 패널에 도착하여 기체를 냉각합니다. 최적으로 설계된 극저온 패널과 활성탄과의 양호한 접촉을 기준으로 최대 50%의 H₂가 배플을 통과하고 접착될 수 있습니다. 기체가 펌핑 표면에 도달하기 전에 펌프 내부의 벽과의 충돌에 의한 펌핑 표면 및 기체 냉각 제한 때문에 이 두 기체에 대해 측정된 펌핑 속도는 이론상 펌핑 속도의 극히 일부로만 제한됩니다. 펌핑되지 않은 부분은 부로 배플에 의해 반사됩니다. 또한 H₂의 흡착 가능성은 다양한 흡착제 간에 차이가 있으며, 1 미만이지만 수증기와 N₂의 응축 가능성은 1에 가깝습니다.

3개의 표면(배플, 2단계 외부의 응축 표면 및 2단계 내부의 흡착 표면)의 크기에서 펌핑될 수 있는 기체의 펌프 용량은 서로 다릅니다. 극저온 펌프의 설계에서 모든 진공 공정에 자연스럽게 적용되지 않는 평균 기체 조성(공기)을 가정합니다(예: 스퍼터링 공정. 아래의 "부분 재생" 참조).

극저온 펌프의 특성 수량

극저온 펌프의 특성 수량은 다음과 같습니다(특정 순서 없음).

냉각 시간
교차 값
최종 압력
용량
냉매 전력 및 순 냉매 전력
재생 시간
처리량 및 최대 pV 유동
펌핑 속도
사용 수명 또는 작동 기간
시작 압력

냉각 시간

극저온 펌프의 냉각 시간은 시동부터 펌핑 효과가 시작될 때까지의 시간입니다. 냉동기 극저온 펌프의 경우 냉각 시간은 콜드 헤드의 2단계에서 293K에서 20K로 냉각시키는 데 필요한 시간으로 표시됩니다.

교차 값

교차 값은 이미 차가운 냉동기 극저온 펌프의 특성 수량입니다. 펌프가 HV/UHV 밸브를 통해 진공 챔버에 연결되어 있는 경우 매우 중요합니다. 교차 값은 밸브를 개방할 때 기체 폭증으로 인해 극저온 패널의 온도가 20K 이상으로 증가하지 않도록 진공 챔버가 최대로 포함할 수 있는 T_n = 293K에 따른 기체의 양입니다. 교차 값은 일반적으로 pV 값(mbar · l)으로 표시됩니다

교차 값과 챔버 부피 V는 교차 압력 pc로 이어지고, 이는 극저온 펌프로 이어지는 밸브를 개방하기 전에 먼저 배출해야 하는 진공 챔버의 교차 압력입니다. 다음을 지침으로 사용할 수 있습니다.

(2.27)

V = 진공 챔버의 부피(l),
Q2(20K) = 20K의 콜드 헤드의 두 번째 단계에서 사용할 수 있는 와트 단위의 순 냉매 전력

최종 압력 p_end

극저온 응축의 경우(위의 "차가운 표면에 기체 접착" 참조) 최종 압력은 다음으로 계산할 수 있습니다.

(2.28)

P_S는 극저온 패널의 온도 TK에서 펌핑되는 기체의 포화 증기 압력이고 T_G는 기체 온도(극저온 패널 근처의 벽 온도)입니다.

예: H₂ 및 N₂에 대해 그림 9.15의 증기 압력 곡선을 활용하면 표 2.6의 TG = 300K에 최종 압력이 요약됩니다.

그림 9.15 T = 2–80K의 온도 범위에서 극저온 기술과 관련된 다양한 물질의 포화 증기 압력 ps

이 표는 T_G = 300K의 기체 온도에서 T < 3K의 수소의 경우(즉, 극저온 패널이 벽의 열 복사에 노출되는 경우) 충분히 낮은 최종 압력을 달성할 수 있음을 보여줍니다. 벽으로부터의 탈착 및 누출과 같은 여러 간섭 요인으로 인해 이론적인 최종 압력은 실제로 확보되지 않습니다.

표 2.6 300K의 벽 온도에서의 최종 온도

용량 C(mbar · l)

특정 기체에 대한 극저온 펌프의 용량은 이 유형의 기체 G의 펌핑 속도가 초기 값의 50% 미만으로 떨어지기 전에 극저온 패널에 의해 결합될 수 있는 기체의 양(Tn = 293K에서의 pV 값)입니다.
극저온 흡착을 통해 펌핑되는 기체의 용량은 흡착제의 양과 특성에 따라 달라집니다. 이 기체는 압력에 따라 달라지며 일반적으로 극저온 응축을 통해 펌핑되는 기체의 압력과 무관한 용량에 비해 몇 배 더 낮습니다.

냉각 능력 Q. (W)

온도 T에서 냉각 공급원의 냉각 능력은 이 온도를 유지하면서 냉각 공급원에서 추출할 수 있는 열의 양을 제공합니다. 냉동기의 경우 1단계 콜드 헤드에서는 냉각 능력이 80K, 2단계 콜드 헤드에서는 두 단계에 동시에 열 부하를 가할 때 1단계의 80K와 2단계의 20K의 냉각 능력을 나타내는 것으로 합의되었습니다. 냉각 능력을 측정하는 도중 열 부하는 전기 가열기에 의해 생성됩니다. 냉각 능력은 실온에서 가장 높고 최종 온도에서 가장 낮습니다(0).

순 냉각 능력 Q. (W)

냉동기 극저온 펌프의 경우 작동 온도에서 사용 가능한 순 냉각 능력(T1 < 80 K, T2 < 20 K)이 처리량과 교차값을 크게 정의합니다. 순 냉각 능력은 펌프의 구성에 따라 펌프 없이 사용되는 콜드 헤드의 냉각 능력보다 크게 낮습니다.

pV 유동

유동의 유형 페이지 참조

재생 시간

기체 포집 장치로서 극저온 펌프는 특정 작동 시간 이후 재생되어야 합니다. 재생에는 가열을 통해 극저온 패널에서 응축 및 흡수된 기체의 제거가 수반됩니다. 재생은 극저온 패널의 가열 방식에 따라 부분적으로 및 전체적으로 실행될 수 있습니다.

총 재생의 경우 다음 간에 차이가 발생합니다.

자연 가열: 압축기를 끈 후에는 극저온 패널이 천천히 열 전도에 의해 예열되고 배출되는 기체를 통해 가열됩니다.
퍼지 가스 방법: 따뜻한 퍼지 가스를 주입하여 극저온 펌프가 가열됩니다.
전기 가열기: 극저온 펌프의 극저온 패널이 1단계에서 2단계에서 가열기에 의해 예열됩니다. 배출되는 기체는 과압 밸브(퍼지 가스 방법) 또는 기계식 배압 펌프를 통해 방출됩니다. 펌프의 크기에 따라 재생 시간이 몇 시간이 걸릴 수 있습니다.

부분 재생

극저온 펌프의 사용 수명에 대한 제한은 대부분의 분야에서 두 번째 단계에서 펌핑되는 기체 질소, 아르곤 및 수소의 용량 한계에 따라 달라지기 때문에 이 단계만 재생해야 하는 경우가 많습니다. 수증기는 배플에 의해 부분 재생 중에 유지됩니다. 이를 위해서는 첫 번째 단계의 온도를 140K 이하로 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 수증기의 부분 압력이 너무 높아져 두 번째 단계에서 물 분자가 흡착제를 오염시킵니다.

1992년, Leybold는 이러한 부분 재생을 허용하는 방법을 개발하기 위한 최초의 극저온 펌프 제조업체였습니다. 이 빠른 재생 공정은 마이크로프로세서가 제어되고 퍼지 가스 방법에 기반한 총 재생에 필요한 6시간에 비해 약 40분 내에 극저온 펌프의 부분 재생을 가능하게 합니다. 총 재생과 부분 재생에 대한 일반적인 사이클 간 비교는 그림 2.70에 나와 있습니다. 고속 재생 시스템에서는 절약한 시간이 명백합니다. 일반적인 스퍼터링 공정을 위한 생산 환경에서는 24회의 부분 재생 후에 1회의 총 재생을 예상해야 합니다.

그림 2.70 총 재생(1)과 부분 재생(2)의 비교

처리량 및 최대 pV 흐름: (mbar l/s)

특정 기체에 대한 극저온 펌프의 처리량은 펌프 입구를 통한 기체 G의 pV 유동에 따라 달라집니다.

Q_G = q_pV,G, 다음 등식을 적용
Q_G = p_G · S_G
p_G = 흡기 압력,
S_G = 기체 G에 대한 펌핑 용량

연속 작동 시 극저온 패널이 최대 T ≈ 20K까지 가열될 때의 최대 pV 유동은 이 온도에서 펌프의 순 냉매 전력 및 기체 유형에 따라 달라집니다. 냉동기 극저온 펌프 및 응축 기체의 경우 다음을 지침으로 고려할 수 있습니다.

Q.2(20K)는 20K에서 차가운 열의 두 번째 단계에서 사용할 수 있는 와트 단위의 순 냉매 전력입니다. 간헐적 작동의 경우 더 높은 p_V 유동이 허용됩니다(교차 값 참조).

펌핑 속도 S_th

다음 사항은 극저온 펌프의 (이론적) 펌핑 속도에 적용됩니다.

(2.29)

A_K - 극저온 패널의 크기
S_A - 표면 영역 관련 펌핑 속도(등식 1.17 및 1.20에 따른 영역 관련 충격률, 극저온 패널의 방향에서 기체 분자의 평균 속도에 비례함).
α - 응축 가능성(펌핑)
p_end - 최종 압력(위 참조)
p - 진공 챔버의 압력

(1.17)

(1.20)

등식 (2.29)는 진공 챔버에 내장된 극저온 패널에 적용되며, 표면 영역은 진공 챔버의 표면에 비해 작습니다. 모든 기체에 대해 α = 1의 낮은 온도도 충분합니다. 등식 (2.29)는p >> pend에서 괄호의 표현식이 1에 접근하면 과포화된 사례 p >> pend > Ps인 경우 다음을 보여줍니다.

(2.29a)

TG - 기체 온도(K)
M - 분자 질량

표 2.7에 제공된 것은 등식 2.29a에 따라 확인된 K의 두 다른 기체 온도 T_G에서 일부 기체에 대한 관련 펌핑 속도 SA(l · s^-1 · cm^-2)입니다. 표에 명시된 값은 한계 값입니다. 실제로 거의 방해되지 않은 평형 상태(큰 벽 표면에 비해 작은 극저온 패널)는 짧은 펌프 다운 시간 및 양호한 최종 진공을 얻기 위해 대형 극저온 패널이 필요하기 때문에 사실이 아닌 경우가 많습니다. 또한 극저온 패널이 냉각에 의해 이미 감소된 침투 분자의 속도에서 냉각된 배플에 둘러싸일 때 편차가 발생합니다.

표 2.7 일부 기체에 대한 표면 관련 펌핑 속도

사용 수명 또는 작동 기간: top (s)

특정 기체에 대한 극저온 펌프의 작동 기간은 다음 등식에 따라 달라집니다.

여기에서

C_G = 기체 G에 대한 극저온 펌프의 용량
Q_G(t) = 시간 t의 기체에 대한 극저온 펌프의 처리량

처리량 QG에 대한 시간 경과에 따른 상수 평균이 알려진 경우 다음 사항이 적용됩니다.

(2.30)

작업 기간 t_op,G가 지난 이후 기체 G 유형에 따라 극저온 펌프를 재생해야 합니다

시작 압력 p_o

기본적으로 대기 압력에서 극저온 펌프를 시작할 수 있습니다. 하지만 여러 가지 이유로 바람직하지 않습니다. 기체 분자의 평균자유행로가 진공 챔버의 크기보다 작으면(p > 10^-3mbar), 기체의 열 전도도가 너무 높아 바람직하지 않게 많은 양의 열이 극저온 패널로 전달됩니다. 또한 상대적으로 두꺼운 응축층이 시작 중 극저온 패널에 형성될 수 있습니다. 이렇게 하면 실제 작동 단계에서 사용할 수 있는 극저온 펌프의 용량이 현저하게 줄어듭니다. 기체(보통 공기)는 흡착물에 접착되는데, 이는 접착 에너지가 응축 표면의 접착 에너지보다 낮기 때문입니다. 이렇게 하면 이미 제한된 수소 용량을 더 줄일 수 있습니다. 고진공 또는 초고진공 범위의 극저온 펌프는 p < 5 · 10^-2mbar 압력의 배압 펌프를 사용하여 시작하는 것이 좋습니다. 시작 압력이 확보되면 배압 펌프가 꺼질 수 있습니다.

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