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1. 序言

通常的真空设备,排出气体的主要成分是水,设备的排气时间或到达压力是由使用的真空泵对水的排气速度决定的。

例如,涡轮分子泵的情况下,对水的排气速度不大,在大气状态开始进行的情形下,到达所设定的压力需要很长的时间。

扩散泵的情况下,为了防止油蒸气的逆流,使用了冷水导流板,可能这就对水的排气速度低下的原因。

另外,使用兼顾油蒸汽的逆流防止效果使用液氮的冷却冷肼,也可以达到和低温泵同样的对水排气速度最大值。但是,液氮的消耗会导致运营成本增加的问题。

也有使用氟利昂冷冻机代替液氮的冷冻导流板或冷冻冷肼的情况,但是,氟利昂对地球环境的影响遭到各种使用限制。此外,氟利昂冷冻机,冷冻能力大的到达温度也只有140k左右,高真空领域算是性能低下的。

超级冷肼使用了小型氦气冷冻机,完全无须担心破坏环境的问题,具有可实现80K以下的温度冷却,从低真空领域到高真空领域范围内均可使用等特征,可用在涡轮分子泵的排气性能的改善或作为扩散泵的冷肼,又或者是排水汽专用的真空泵。

这里,对超级冷肼的构造和性能,超级冷肼的使用案例以及效果进行说明。

2. 超级冷肼的构造和排气原理

超级冷肼中使用的冷冻机系统,由低温泵中使用的2段式冷冻机改造成的G-M循环小型氦气冷冻机和压缩机构成。

冷冻机1段平台冷却到80K以下的温度,这里安装的80K低温平板将水等蒸气压较低的气体进行凝缩排气。

80K的低温平板温度,可以通过CA热电偶得知。

超级冷肼有两种类型,像扩散泵的液氮冷肼那样可让气体通过的通过型,和可直接安装到真空设备的直装型。

通过型(图1),低温泵和扩散泵串联使用,真空泵对水排气能力得到提高。

这种情况下,对氮气或氩气等80K低温平板抵制排气的气体,需要设定适当的电导率。

与此相对,直装型(图2)直接与排气系统独立的真空容器壁,或者通过阀门安装的类型,是与排气系统并列设置的类型。

此时,排气系统的排气速度原封不动地有效利用,可只增加对水的排气速度。即,对水来说,和增加1台低温泵的情况下达到完全相同的排气性能。此外,没有发生导电性这样的问题,构造、安装等变得简单。

图1:通过型超级冷肼的构造

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图2:直装型超级冷肼的构造
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3. 超级冷肼的再生

80K低温平板中凝缩的水如果变多,冰的表面温度也变高。如果冰的表面温度超过130K排气性能将变得低下,需要进行除去冰的再生作业。再生,即停止冷冻机,将80K低温平板的温度升高到室温使冰融化,然后排到外部的作业。

再生时的升温一般进行破真空后的自然升温即可。想要缩短升温时间时,采用在超级冷肼的真空容器外侧安装加热器的方法加热。将冰排到外部之后,超级冷肼进行真空排气,启动,冷却。低温平板的温度达到130K以下时可再进行水的排气。

4. 超级冷肼的用途

在需要有效排水的真空设备中可以使用低温泵,但是如果需要排出大量排出氢气,则低温泵的排气时有限的。另外,大量储存可燃性气体时,在再生期间可能会发生安全问题,请使用能够连续排气的泵,例如扩散泵或涡轮分子泵。
另外,当必须从真空装置侧排出大量油蒸气等污染物时,请使用扩散泵。 然而,如上所述,涡轮分子泵和扩散泵相对于水的排气速度比较小,因此使用超级冷阱来补足这一点。 它的主要用途是

(1) 排水气的专用泵
真空钎焊炉,真空热处理炉,卷取式连续蒸发设备,蒸发设备,溅射设备,离子电镀设备

(2) 改善排气系统性能
包括改善扩散泵的性能,取代扩散泵中的液氮阱,以及改善涡轮分子泵的性能。 特别是在玻璃,塑料和陶瓷上成膜的情况下,会释放出大量的水,对此是非常有效的。

即使是正在使用的装置,如果有安装的空间,则可以容易地安装超级冷阱,并且可以大大缩短排气时间。

5. 扩散泵的应用

图3是带有22inch扩散泵的真空锅炉安装了22inch超级冷阱CRYO-T22的示例。


图3:扩散泵的安装示例

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该装置的目标压力为 6.7×10-3Pa, 连接超级冷阱之前需要约160分钟才能达到此压力。 连接了超级冷阱之后,时间可以减少1/2。 (见图4)

图4:扩散泵的超级冷阱效果

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当在扩散泵上使用超级冷阱时,在超级冷阱和扩散泵之间需要水冷导流板等来阻挡来自扩散泵的辐射热。

6. 溅射设备的应用

由于溅射设备需要导入大流量氩气和10-1Pa,所以需要使用传导阀限制排气速度。

在这种情况下,目的是限制氩气的排气速度,但水的排气速度也同时受到了限制。

图5为使用超级陷阱来解决该问题的示例。 在这种情况下,由于对水的排气速度不受传导阀的传导性的影响,因此可以获得对水的恒定最大排气速度,成膜室的水的压力也会下降。

图5:溅射设备的应用案例

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图6显示了当超级冷阱打开和关闭时该装置的排气特性。当超级冷阱打开时,压力下降了大约1/4,验证了超级冷阱有缩短排气时间和降低极限压力的效果。


图6:溅射设备的排气特性

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7. 结语

有多种类型的超级陷阱,范围从4到22英寸,中小型号可以使用1台压缩机操作多个超级冷阱,从而实现经济的系统。(见表1)

由于其高性能和广泛的应用范围,将来会越来越多地被使用。

表1:超级冷阱的种类
口径 机种 冷冻机 压缩机
6 CRYO-T6 RMS10 C10T,C10AT
8 CRYO-T8 RMS10 C10T,C10AT
10 CRYO-T10 RMS10 C10T,C10AT
14 CRYO-T14 RMS10,RMS50 C10T,C10AT,C30VRT
16 CRYO-T16 RMS50 C30VRT
20 CRYO-T20 RMS50 C30VRT
22 CRYO-T22 RMS50 C30VRT

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