Сорбционная емкость крионасоса

Сорбционная емкость криогенного насоса по конденсированным газам зависит от габаритных размеров насоса. Водяной пар - и другие газы Типа I, имеющие низкие значения давления паров при 65 К, - конденсируется на верхних поверхностях впускного массива криопанелей и на внутренней части теплового излучающего экрана. В крионасосе диаметром 200 мм почти 1 л воды может храниться в виде льда, распределенного по этим поверхностям слоями до нескольких сантиметров толщиной. Предел сорбционной емкости по водяному пару определяется тем, что лед в конечном итоге препятствует другим газам достигать внутренних частей насоса, сокращая тем самым их быстроту откачки. В большинстве видов применения несколько десятков кубических сантиметров воды будут собираться в течение нескольких недель работы насоса. В условиях сверхвысокого вакуума насос не будет собирать и наперстка воды или других газов в год! Криогенный насос с небольшим количеством сконденсированной воды показан на рис. 8.

Рис. 8. Крионасос диаметром 305 мм во время регенерации. Виден слой тающего аргонового льда толщиной 2-3 см (фотография предоставлена CTl-Cryogenics)

Аргон, азот, кислород и другие газы Типа II, конденсирующиеся при 20 К, адсорбируются на поверхностях второй ступени при 10-20 К. По мере того, как они образуют слои льда в несколько сантиметров толщиной, начинаются следующие процессы. Слой льда растет вверх до тех пор, пока не достигнет впускного массива криопанелей, работающих при 65 К. Поскольку газы Типа II не конденсируются при 65 К, лед продолжает разрастаться вверх через впускной массив, фактически не касаясь более теплых поверхностей. Шар изо льда газов Типа II также начинает блокировать доступ газов Типа III, которые не конденсируются при 20 К (водород, гелий, неон) на поверхностях, покрытых углем. Более того, лед газов Типа II больше не экранируется впускным массивом криопанелей, поэтому на второй ступени охладителя тепловые нагрузки увеличиваются. Вследствие увеличенной тепловой нагрузки и растущего теплового градиента льда равновесное давление начинает повышаться. Этим устанавливается практический предел сорбционной емкости крионасоса диаметром 200 мм для газов Типа II на уровне приблизительно 1000 л газа, прежде чем равновесное давление не повысится до 10^-5 Торр. Для систем, которые должны иметь быстрый и часто повторяющийся цикл смены давлений, начиная с уровня выше НИ для ионного распыления до уровня ниже 10^-7 Торр для очистки камеры, уменьшение сорбционной емкости может наблюдаться по мере того, как увеличивается время восстановления до базового давления.

С практической точки зрения крионасос может использоваться в течение продолжительного времени до того, как будет достигнута предельная сорбционная емкость. Для статической высоковакуумной откачки при 10^-6 Торр насос диаметром 200 мм мог бы работать в течение одного-трех лет, прежде чем потребуется регенерация. В видах применения, предусматривающих использование загрузочного шлюза или периодический режим без дополнительных технологических газовых нагрузок, можно получить 2000-5000 циклов откачки между регенерациями. Системы ионного распыления имеют типичные газовые нагрузки по аргону, равные 50-150 см³/мин. В сочетании с требованиями быстрого восстановления время между регенерациями ограничивается 1-2 неделями. Аналогичным же образом в условиях полномасштабного производства для установок ионной имплантации с газовыми нагрузками по тяжелому водороду требуется регенерация с интервалами в 5-15 дней.