극저온 크라이요펌프

본문내용

주듯이 일종의 포획펌프(capture pump)이기 때문에 작동 중에는 대기중으로 배기를 하지 않아 기체 사용량이 매우 많은 작업에는 사용하기가 힘들다. 배기속도가 상당히 크고 이론적으로는 106∼107 l/s도 가능하여 핵융합로등에 사용이 가능하다(Roth 1976, O'Hanlon 1989, Hands 1982)
(2)크라이요펌프의구조
㉠ compressor가 헬륨기체를 압축시키면서 발생하는 열은 외부로 방출하게 되는데 냉각은 공냉식 또는 수냉식 방법을 사용한다. 냉장고 뒷면이나 창문형 에어컨의 바깥부분에서 더운 열기를 느끼는 것도 이와 같은 현상 때문이다.
㉡ 압축된 헬륨이 진공용기 내부의 expander에서 팽창하면서 주변의 부품들을 식히게 되는데 cold head(15K), baffle(80K)등을 냉각한다.
㉢ 냉각된 표면이 기체분자를 붙잡는데 있어서 냉온응축(cryo-condensation)과 냉온흡착(cryo-sorption)의 원리를 이용하는데 냉온응축의 경우는 증기를 차갑게 하여 액화시킨 다음 얼리는 방법을 말하는데 80K 단계에서 증기압이 낮은 물분자가 먼저 제거되고 다음이 N2, O2, Ar 등이다. 다음 단계는 냉온흡착을 이용하는데 15K 영역에서 담당하며 He, H2, Ne 등 저온에서도 증기압이 높은 기체들의 운동에너지를 빼앗아 표면에서 움직이지 못하게 하는 것이다. 그림에서처럼 안쪽 표면에 activated charcoal(활성탄)이 발려 있음을 보는데, 이는 물분자와 같이 1 단계에서 포획될 수 있는 기체들이 15K 영역에 달라붙게 되면 냉온흡착을 할 수 있는 표면적이 줄어들기 때문에 이를 방지하기위한 목적이다.
(3)사용 방법
㉠ 냉온펌프 내부를 로타리펌프로 초기배기(roughing)시킨다. 이 때 좋은 트랩(trap)이 두 펌프사이에 설치되어 로타리펌프 오일의 역류를 막아 주어야 오일을 사용하지 않는 냉온펌프의 장점을 살리게 된다. 또한 포획펌프이기 때문에 다른 고진공펌프와는 달리 보조펌프(backing pump)의 개념이 없다. 로타리펌프는 진공용기 및 냉온펌프 자체를 초기배기(roughing)하는데 사용되게 된다.
㉡ 냉온펌프의 roughing valve를 잠근다.
㉢ Compressor를 켠다. 온도를 초기 작동온도(약 20K)까지 내린다.
㉣ 진공용기를 초기배기(roughing)한다. 보통 고진공펌프로의 전환압력은 비교적 높은 약 0.5 Torr이하에서 하는데 초기배기시 로타리펌프로부터의 오일분자의 역류를 막기 위해서는 어느 정도 초기배기가 되면 곧바로 냉온펌프로 전환하는 것이 좋다.
㉤ 진공용기의 roughing valve를 잠근다(여기도 좋은 트랩을 사용한다.)
㉥ 주 밸브(main valve)를 열고 냉온펌프로 배기를 시작한다.
냉온펌프가 포획펌프(작동 중 배출이 없다)이므로 일정 사용시간이 지나면 펌프가 차게되어 배기속도가 심하게 떨어진다. 이 때가 되면 배기능력을 회복하여야 하는데 이 과정을 앞의 흡착펌프(sorption pump)에서 소개했듯이 '재생(regeneration)'이라 부르고 그 과정도 비슷하다
(4)재생과정
㉠ 주 밸브(high vacuum valve)를 잠그고 compressor 작동을 중지한다.
㉡ 건조질소(dry N2 gas)를 집어넣어 펌프를 청소한다(purge). 또는 데워진 질소 개스를 사용할 수도 있다(약 120℃까지). 실온 또는 데워진 질소가 차가운 펌프 내부를 데움에 따라 표면으로부터 떨어져 나오는 각종 기체는 질소에 섞여 pressure relief valve(안전 valve)를 통하여 바깥으로 배기된다. 이 때 배출은 fumehood등을 사용하여 유독개스 등에 조심하도록 하며 또한 이온 게이지(ion gauge)등이 켜져 있으면 갑자기 방출되는 많은 개스를 폭발시킬 염려가 있으니 조심해야 한다(예, 수소와 산소의 혼합기체).
㉢ 동시에 각종 트랩도 heating을 통하여 재생을 시킨다.
㉣ 냉온펌프 내부 온도가 거의 실온으로 상승한 뒤 냉온펌프를 로타리펌프로 배기하면 재사용의 준비가 완료된다.
★냉온펌프의 기체에 따른 배기속도의 예 ★
기체명
상대적 배기속도
배기속도(l/s)
총배기용량
(Torr liters)
질소/산소
1
2500
2×106
수증기
2.6∼4.0
8000
1×106
수소
1.1∼1.4
3000
5×103
아르곤
0.7∼0.9
2000
2×106
헬륨
0.3∼0.6
1500
8×102
※크라이오 펌프가 배기하는 주요 기체※
A.공기(N2,O2) : 진공장치 초기 Pumping후의 잔류기체. B.방출(H2O) : 진공용기의 벽면에 흡착(통상의 진공장치에는 최대의 성분) Glass,플라스틱,세라믹,등으로 부터의 방출 Gas (H2) : 진공용기의 금속벽 내부의 확산 방출 (초고진공,극 진공에서 문제) 고온,용해금속(특히Al) 으로의 방출(증착,Sputter) (CO,CO2,CH4) : 진공장치 벽면의 오염. C.도입Gas (Ar) : Sputter장치 (H2) : Ion 주입 (O2) : 산화물
증기압 곡선에서 보면 수증기(H2O)는 Cryo면의 온도가 130K이라 하면 증기압은 10-8Pa 이하로 되기 때문에 80K이하로 냉각된 Shield와 Buffle에 응축하여 배기되는 것이다.질소(N2),산소(O2),아르곤(Ar)등의 기체는 80K에서는 증기압이 높기 때문에 응축을 하지 않고 20K이하의 Cryo panel 표면에 응축하여 배기 된다.헬륨(He),수소(H2),네온(Ne)등의 증기압이 높은 기체는 10K~20K Level의 온도에서는 응축하지 않기 때문에 Cryo panel(응축Panel)의 내측에 부착되어 있는 흡착제에 의해 흡착되어 배기 된다.
<참고 문헌>
http://www.univac21.com/tech/Tech_data.htm
http://tong.nate.com/05081612614991
http://blog.naver.com/marobsabet?Redirect=Log&logNo=130016346033
http://blog.naver.com/dr121038?Redirect=Log&logNo=140010729033

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