Bagaimana ia berfungsi: Teknologi Cryopump 26 Ogos 2020

Bayangkan pemeluwapan pada cermin bilik mandi anda selepas mandi, cermin depan kereta yang beku yang menyapa anda selepas malam yang sejuk, atau bagaimana cermin mata anda berkabus apabila anda masuk ke dalam selepas menghabiskan masa di cuaca sejuk. 

Prinsip yang sama ini juga terpakai untuk teknologi cryopump. 

Setiap gas mempunyai tekanan wap tepu yang bergantung kepada suhu — semakin tinggi suhu, semakin tinggi tekanan wap. Kondensasi pada permukaan sejuk mengurangkan tekanan wap gas di sekeliling. 

Jika suhu cukup rendah, wap akan berubah menjadi fasa pepejal dan mengembun. Dalam contoh cermin depan yang berais, cermin depan pada dasarnya "memompa" wap air dari kelembapan di udara. 

Apabila melibatkan pemompaan gas ke tekanan vakum tinggi (HV), kita memerlukan suhu yang jauh lebih rendah. Sebagai contoh, pada suhu di bawah 423 darjah Fahrenheit (20K), kebanyakan wap akan mengembun kepada tekanan vakum ultra tinggi (UHV). 

Kriokooler yang dibekalkan helium komersial, seperti  yang terdapat dalam rangkaian produk kami, boleh dengan mudah mengekalkan suhu dalam julat yang sangat rendah ini. Kriokooler, juga dipanggil kepala sejuk atau kriorefrigerator, menyejukkan suhu gas dalam dua peringkat. 

Pertama, penyejuk kriogenik menyejukkan gas jauh di bawah suhu nitrogen cecair (77K) menggunakan kapasiti penyejukan yang tinggi. Kemudian, penyejuk kriogenik menyejukkan gas kepada di bawah 20K menggunakan kapasiti penyejukan yang lebih rendah. 

Oleh kerana cryopump diletakkan pada suhu bilik, langkah-langkah perlu diambil untuk mengurangkan radiasi terma dari dinding luar. Untuk tujuan ini, pelindung radiasi disambungkan ke tahap 80K. 

Perisai mempunyai baffle saluran masuk gas yang menyejukkan gas sebelum memasuki kawasan pam dalaman. Bahagian luar dilapisi dengan bahan yang sangat reflektif — sama seperti termos — untuk memantulkan haba. 

Jika kondensasi menjadi terlalu tebal, lapisan atas, yang serupa dengan igloo, mungkin tidak cukup sejuk disebabkan oleh pengaliran haba ais yang berkurangan. 

Jika ini berlaku, prestasi cryopump akan berkurang. Ia perlu dibersihkan daripada gas dan dijana semula pada ketika ini menggunakan sistem pam moden dengan kawalan terintegrasi. Setelah pam beroperasi semula, kecekapan dan kelajuan UHV akan kembali.

Pam kriogenik lebih efisien daripada pam lain yang digunakan untuk aplikasi serupa. Tidak seperti pam pemindahan gas (seperti  pam turbomolekul  atau pam penyebaran minyak), pam kriogenik memeluwap semua gas di dalamnya. 

Pemasang boleh memasang cryopump dalam sebarang orientasi. Sebagai contoh, apabila dipasang di atas atau di sisi ruang vakum tanpa siku 90 darjah, sistem mengalami kehilangan konduktansi yang lebih sedikit. 

Pam kriogenik juga lebih senyap. Hanya permulaan awal dan proses regenerasi yang memerlukan pam kasar. 

Memandangkan semua pam HV, pam kriogenik memberikan masa pengosongan yang paling cepat daripada semua ruang vakum. Berbanding dengan TMP, pam kriogenik boleh mengepam:

• H2O empat kali lebih tinggi
• H2 dua kali lebih tinggi
• N2 40 peratus lebih tinggi 

Pam kriogenik juga kurang sensitif terhadap radiasi pengion dan medan magnet berbanding dengan TMP. 

Pam kriogenik jauh lebih berkuasa daripada pam penyebaran minyak dalam bekas vakum besar. Mereka tersedia dengan kelajuan pam gergasi sehingga:

• 60,000 l/s untuk N₂ 
• 180,000 l/s untuk H₂O

Oleh kerana ia bebas hidrokarbon, pam kriogenik menyediakan vakum bersih tanpa risiko pencemaran hidrokarbon. Oleh kerana tiada bahagian yang bergerak, ia juga tidak memerlukan pelinciran. 

Tidak seperti pam difusi minyak, pam kriogenik tanpa minyak tidak berisiko mengalami kerosakan atau minyak terbakar. Mereka memerlukan penggunaan tenaga dan air yang lebih rendah, mengurangkan kos operasi keseluruhan.

Pam kriogenik sesuai untuk aplikasi pengosongan cepat, terutamanya di mana permukaan besar dan pencemaran wap air menjadi kebimbangan. Kegunaan termasuk:

• Ruang simulasi angkasa
• Peranti pelapisan
• Sistem sputtering dalam pengeluaran semikonduktor 
• R & D
• Peleburan HV yang digunakan untuk penyolderan dan pengelasan

Proses utama juga mendapat manfaat daripada kelebihan cryopump berbanding pam penyebaran minyak dan TMP. Antara mereka adalah:

• Epitaksi pancaran molekul (MBE), yang memerlukan UHV bebas hidrokarbon yang baik < 10-09 mbar. 
• Aplikasi R&D khas seperti eksperimen beamline dalam sinkrotron atau cincin penyimpanan, yang memerlukan UHV tanpa hidrokarbon dengan kelajuan pam H2O dan H2 yang tinggi.

Walaupun cryopump mempunyai beberapa kelebihan yang jelas dalam banyak proses vakum, anda mungkin masih ragu untuk menaik taraf kerana ia kelihatan sukar untuk digunakan.

Berita baiknya adalah dengan pengetahuan yang tepat, pam kriogenik dapat digunakan dengan mudah. Adalah penting untuk bekerjasama dengan penyedia yang akan berusaha memastikan anda selesa dengan teknologi selepas pelaksanaan.  

Pam kriogenik dapat menjimatkan masa, kekecewaan, dan wang anda. Mereka adalah peningkatan berbanding TMP dan pam penyebaran minyak di mana sahaja anda boleh mendapat manfaat daripada pam H₂O, H₂s dan N₂ yang tulen dan bebas hidrokarbon pada kelajuan tinggi.