CN111344524B - 具有周边第一级阵列和第二级阵列的低温泵 - Google Patents

Abstract

在低温泵中，具有吸附剂并由制冷机第二级冷却的主要低温抽吸阵列沿着辐射屏蔽件侧部延伸。该阵列被沿着主要低温抽吸阵列延伸的冷凝低温抽吸阵列屏蔽。主要低温抽吸阵列可以是在向内面向的表面上具有吸附剂的圆筒，并且冷凝低温抽吸阵列可包括具有面向正面开口的表面的挡板阵列。辐射屏蔽件基座处的凸起表面（诸如，锥形表面）将从正面开口接收的分子朝向主要低温抽吸阵列重新引导。制冷机指形冷冻器可以相对于辐射屏蔽件相切地延伸，或者连接到辐射屏蔽的基座。

Description

具有周边第一级阵列和第二级阵列的低温泵

相关申请

本申请要求2017年11月17日提交的美国临时申请号62/588,221的权益。上述申请的全部教导通过引用并入本文。

背景技术

目前可用的低温泵（无论是通过开放式还是封闭式低温循环进行冷却）通常都遵循相同的设计理念。通常在4-25 K的范围内操作的低温第二级阵列是主要抽吸表面。该表面被通常在65-130 K温度范围内操作的高温圆筒包围，该圆筒为低温阵列提供辐射屏蔽。辐射屏蔽件通常包括外壳，该外壳除了定位在主要抽吸表面和待抽空的室之间的正面阵列处之外是封闭的。这种较高温度的第一级正面阵列用作诸如水蒸气的高沸点气体（被称为I类气体）的抽吸部位。

在操作中，诸如水蒸气的高沸点气体在冷的正面阵列上冷凝。较低沸点气体穿过正面阵列并进入辐射屏蔽件内的容积中。诸如如氮气的II类气体在更冷的第二级阵列上冷凝。诸如氢气、氦气和氖气的III类气体在4K下具有相当大的蒸汽压。为了捕集III类气体，第二级阵列的内表面可涂覆有吸附剂，诸如木炭、沸石或分子筛。吸附是其中气体被保持在低温温度下的材料物理地捕集并且从而被从环境中去除的过程。随着气体因此冷凝或吸附到抽吸表面上，工作室中只留下真空。

在由封闭的循环冷却器冷却的系统中，冷却器通常是具有延伸穿过辐射屏蔽件的指形冷冻器的两级制冷机。制冷机的第二、更冷级的冷端部在指形冷冻器的尖端处。主要低温抽吸阵列或低温板连接到指形冷冻器的第二级的最冷端部处的散热器。该低温板可以是围绕第二级散热器布置并连接到第二级散热器的简单的金属板、杯或圆筒形金属挡板阵列，如例如在美国专利号4,494,381和7,313,922中那样，所述专利通过引用并入本文。该第二级低温板也可支撑低温冷凝气体吸附剂，诸如前面所述的木炭或沸石。

制冷机指形冷冻器可延伸穿过杯状辐射屏蔽件的基座，并与屏蔽件同心。在其他系统中，指形冷冻器延伸穿过辐射屏蔽件的侧部。这种配置有时更好地适合可用于放置低温泵的空间。

辐射屏蔽件在制冷机的冷的第一级的最冷端部处连接到散热器或热站。该屏蔽件以这样的方式包围更冷的第二级低温板，以便保护它免受辐射热的影响。如美国专利号4,356,701所公开的，封闭辐射屏蔽件的正面阵列通过屏蔽件或通过热支柱由冷的第一级散热器冷却，所述专利通过引用并入本文。

在已经收集大量气体之后，需要使低温泵不时地再生。再生是其中释放由低温泵先前捕集的气体的过程。再生通常通过允许低温泵恢复到环境温度并且然后借助于辅助泵将气体从低温泵中去除来完成。在气体的该释放和去除之后，低温泵重新开启，并且在重新冷却之后再次能够从工作室去除大量气体。

现有技术的实践一直保护被放置在第二级低温板上的吸附材料（例如通过用百叶板（chevron）来围封第二级吸附剂），以防止冷凝气体在吸附层上冷凝并因此堵塞吸附层。以这种方式，该层得以保存，以用于吸附非冷凝气体，诸如氢气、氖气或氦气。这降低了再生循环的频率。然而，这种百叶板降低了不可冷凝物对吸附剂的可及性。

低温泵的一个品质因数是氢气的捕集概率，即从泵外部到达低温泵的开放口部的氢气分子将在阵列的第二级上被捕集的概率。捕集概率与用于氢气的泵的速度（即泵每秒捕集的升数）直接相关。常规设计的更高速率的泵具有20%或更大的氢气捕集概率。

图1图示了定位在真空容器102中的现有技术低温泵。真空容器处于环境温度下，并且通常通过闸阀借助于法兰104安装到处理室。真空容器102内的低温泵的部件由两级低温制冷机106冷却。制冷机包括指形冷冻器，指形冷冻器具有在指形冷冻器的圆筒112和116内往复运动的第一级排出器110和第二级排出器114。指形冷冻器通过法兰118安装到驱动马达，并延伸穿过真空容器102的侧部端口108。

定位在真空容器内的辐射屏蔽件120由制冷机的冷的第一级112通过在大约65K下的第一级散热器122冷却。正面阵列124由百叶窗板126形成，百叶窗板126由支柱128支撑在辐射屏蔽件上并通过辐射屏蔽件冷却至大约80K。

正面阵列的设计是设计目标的平衡。更开放的正面阵列允许更多的气体流入辐射屏蔽件内的容积中以便被捕集，从而导致更高的捕集率。例如，开放式设计允许氢气更容易地进入该容积中，以获得更高的氢气捕集率，这是许多应用中的关键设计标准。另一方面，更开放的设计允许更多的辐射直接到达第二级阵列，并因此在第二级阵列上呈现出不期望的辐射负荷。第二级的辐射负荷是在阵列的正面开口处接收到的直接冲击在第二级阵列上的辐射的百分比。利用更封闭的设计，辐射更有可能被正面阵列阻挡或者被限于到辐射屏蔽件120的视线路线，从而降低第二级辐射负荷。然而，打算在第二级阵列上冷凝或吸附在第二级阵列上的气体更有可能首先撞击正面阵列的百叶窗板126。在高真空环境中，这种气体然后很有可能被朝向处理室再发射回去。

专利7,313,922和图1中的正面阵列是开放的以用于更高的氢气捕集概率，但是具有由此导致的到第二级的辐射负荷的增加。

发明内容

利用所公开的低温抽吸阵列配置，可以获得在第二级阵列上具有高捕集率和低辐射负荷的改进的低温泵屏蔽。在低温泵中，低温制冷机包括冷级和更冷级。辐射屏蔽件具有侧部、封闭端部以及与封闭端部相对的正面开口。辐射屏蔽件热耦合到冷级并由冷级冷却。辐射屏蔽件的中心容积和正面开口基本上没有低温抽吸表面。主要低温抽吸阵列与辐射屏蔽件侧部隔开但靠近辐射屏蔽件侧部并沿辐射屏蔽件侧部延伸。主要低温抽吸阵列支撑吸附材料，并与更冷级耦合并被更冷级冷却。冷凝低温抽吸阵列沿着主要低温抽吸阵列延伸。冷凝低温抽吸阵列屏蔽主要低温抽吸阵列以免受穿过辐射屏蔽件正面开口的辐射。

主要低温抽吸阵列可以是在向内面向的表面上具有吸附剂的圆筒。冷凝低温抽吸阵列可以包括具有面向正面开口的表面的挡板阵列。挡板可以位于从辐射屏蔽件的正面开口到主要低温抽吸阵列的基本上所有直线的路径中。

辐射屏蔽件封闭端部可以包括凸起表面，该表面将分子从正面开口朝向主要低温抽吸阵列重新引导。凸起表面可以升高到沿着辐射屏蔽件的中心轴线的一点，并且可以是锥形。

低温泵可以至少有20%的氢气捕集概率。到主要低温抽吸阵列的辐射负荷可以小于3%，优选地小于2%，并且更优选地小于1%。

低温制冷机可以包括具有冷级和更冷级的指形冷冻器，其相对于辐射屏蔽件相切地延伸。辐射屏蔽件可以热耦合到屏蔽件并通过该屏蔽件冷却，该屏蔽件耦合到冷级并包围制冷机的更冷级。

替代地，制冷机的更冷级可以耦合到主要低温抽吸阵列的基座，并且在主要低温抽吸阵列基座上方的底板上提供将分子从正面开口朝向低温抽吸阵列侧部重新引导的凸起表面。冷凝低温抽吸阵列和底板可以通过穿过基座的支柱耦合到制冷机的冷级。

低温泵可以包括具有法兰开口的安装法兰。真空容器、辐射屏蔽件和主要低温抽吸阵列每一者内径大于法兰开口的内径。

附图说明

从如附图所图示的示例实施例的以下更具体的描述中，前述内容将变得明显，在附图中，相同的附图标记在不同的视图中指代相同的部分。附图不一定是按比例绘制的，相反，重点放在图示实施例上。

图1是图示现有技术低温泵的截面透视图。

图2是体现本发明的低温泵的截面图。

图3是本发明替代实施例的截面透视图。

图4是图3的低温泵的透视图。

图5是具有水平截面的图3低温泵的截面透视图。

图6是本发明的替代实施例，其中，两级制冷机从真空容器的底部耦合到低温抽吸表面。

图7是本发明的替代实施例，其中容器、辐射屏蔽件、第二级低温抽吸阵列和冷凝挡板径向扩大。

具体实施方式

示例实施例的描述如下。

在任何低温泵设计中，在到第二级阵列的分子传导性和对第二级阵列的热辐射的保护之间进行权衡。如上文所讨论的，对于常规低温泵设计，第二级阵列通常居中位于周围辐射屏蔽件内。辐射屏蔽件的口部包含平面辐射挡板组件，该组件被设计成同时阻挡到第二级阵列的辐射，同时允许分子传递到该阵列。在常规设计中，高抽吸速度以高辐射和第二级阵列的污染物暴露为代价。

这里呈现的创新将常规的低温泵设计方法转为“由内而外”。这通过将第二级阵列组件从辐射屏蔽的中心位置移动到外周边来完成。通过将阵列移动到该位置，人们可以借助于阵列表面积的增加来显著增加到阵列的分子传导性。人们还可以通过取消正面阵列并且代之以在第二级阵列内部周边处提供第一级阵列来在增加传导性的同时提供增加的辐射屏蔽。

通过将辐射挡板的位置和配置从常规的平面正面位置改变为圆筒形周边位置，挡板可以更加不透辐射，同时仍然传递高百分比的入射分子。事实上，在维持到第二级阵列的高分子传导性的同时，来自正面开口的辐射的所有直接路径都会被阻挡。这通过显著增加辐射挡板组件的表面积来完成。在本发明中，圆筒形辐射挡板组件可以具有高达常规平面挡板组件的表面积的四倍的表面积。

举例来说，常规设计的320 mm正面开口直径低温泵可以实现15,000 l/秒的氢气抽吸速度，但代价是到第二级的辐射负荷大于总入射正面辐射的10%。第二级的辐射负荷是在辐射屏蔽件的正面开口处接收的直接冲击在第二级阵列上的辐射的百分比。利用“由内而外”的设计方法，在辐射负荷小于总入射正面辐射的5%的情况下，预计氢气抽吸速度大于15,000升/秒。事实上，直接辐射负荷可减少到小于0.1%。

辐射负荷也是对污染物百分比的相当准确的近似，所述污染物诸如是来自处理室的光刻胶，其在辐射屏蔽的正面开口处在被接收之后粘附到第二级阵列。这种污染物在高真空环境中以直线行进，并粘附到第一接触表面。

图2示出了本发明的实施例。真空容器202设置有凸缘204，用于通常通过闸阀耦合到处理室。修改过的圆筒形辐射屏蔽件206定位在真空容器内。与常规低温泵不同，第二级阵列在辐射屏蔽件内不居中，而是代之以重新配置成沿着辐射屏蔽件的长度延伸。如图所示，它可以是由低温制冷机的更冷的第二级冷却的简单的圆筒形构件208。也可以使用更复杂的阵列，诸如成角度的挡板的阵列。吸附剂209可以涂覆第二级圆筒208的整个内表面。第二级圆筒208由圆筒形冷凝挡板212的低温抽吸阵列保护，以防止辐射穿过辐射屏蔽件的正面开口214，挡板212向下成角度以面向正面开口214。在辐射屏蔽件顶部处向内延伸的边缘210类似地阻挡到第二级低温抽吸阵列的辐射。

这种增强显著增加了阵列的表面积，并使泵容积的中心核心开放。开放的中心容积允许进入泵的核心中的高分子传导性。利用高表面积第二级阵列208，获得了入射分子的高净捕集概率。

该创新的进一步增强是在第一级阵列的底部处增加了分子聚焦元件216。该元件被描绘为辐射屏蔽件206的封闭端部的凸起表面216。该特征的目的是将冲击在该表面上的分子朝向第二级冷凝/吸附阵列重新引导。在高真空下，分子不符合入射角等于偏离角的直接反射规则。相反，在辐射屏蔽件温度下不冷凝的分子一旦其冲击就会具有在辐射屏蔽件上的有限停留时间，并且然后它们从表面再发射出去。再发射的方向有利的是偏离于表面的法线，并由发射角的余弦控制。如果辐射屏蔽底板是平坦的，则分子将优先地朝向入口开口直接再发射回去并且不被捕集。通过升高辐射屏蔽的端部表面，分子发射被迫使优先地朝向冷凝/吸附表面。该表面的形状、角度和面积可以修改，以使被捕集的分子数量最大化。因此，预期I类气体在辐射屏蔽件的封闭端部处冷凝，但是II类和III类气体被引导朝向周边第二级低温板208，以用于在第二级上冷凝或吸附。

在图2中图示了凸起表面的替代形状。在辐射屏蔽件的中心轴线的右侧，凸起表面被示为锥形。在中心轴线的左侧，凸起表面被示为弯曲的，以更优先地将分子向第二级圆筒引导，但是增加了复杂性和制造成本。

图3是类似于图2的更明确的实施例的透视图，其具有锥形凸起表面216。挡板212的低温抽吸阵列由支柱218支撑，支柱218从安装件219延伸，安装件219拧到辐射屏蔽件的封闭端部。在该实施例中，顶部边缘302从辐射屏蔽件206的顶部直接向下倾斜。它接收支柱218的上端部，以向挡板212的阵列提供结构支撑，并且还通过辐射屏蔽件的上端部向那些挡板提供热耦合。因此，挡板既从上端部和顶部边缘302又从下端部和安装件219通过支柱从辐射屏蔽件被冷却。

挡板212的尺寸、角度和彼此之间的间隔可以设置成完全阻挡来自正面阵列的所有直接辐射，其中挡板位于从辐射屏蔽件正面开口214到主要低温抽吸构件208的所有直线的路径中。

两级制冷机可以是常规的。例如，它可以向辐射屏蔽件提供65K的冷却，并且向第二级阵列208提供13K冷却，或者常规范围内的任何温度。

因为第二级阵列定位成靠近辐射屏蔽件和真空容器，所以如图3、4和5所示，提供了制冷机的替代连接。在这种配置中，两级指形冷冻器相切地安装到真空容器202和辐射屏蔽件206。图5图示了两级指形冷冻器。如图1图示的常规制冷机，指形冷冻器包括通过法兰506安装到驱动马达的第一级圆筒502和第二级圆筒504。那些圆筒内的两级排出器往复运动以产生低温冷却。在第一级端部处的散热器508被冷却至冷的第一级温度，通常约为65K。在第二级端部处的第二级散热器510被冷却至更冷的温度，通常约为13K。

尽管指形冷冻器的第二级通常朝向真空容器的中心径向延伸以支撑第二级阵列，并且第一级延伸穿过径向圆筒形端口，但是在本配置中，两级都被包含在与真空容器202相切地耦合的圆筒形端口512内。端口512通过凸缘518安装到凸缘506和驱动马达组件。

圆筒形第二级阵列通过接合部514直接热耦合到第二级散热器510。如常规设计，第二级圆筒被围封在由第一级冷却的圆筒内。在这种情况下，由第一级散热器508冷却并围封第二级的冷圆筒516也用于提供从第一级散热器508到辐射屏蔽件206的热耦合。

图6图示了本发明的替代实施例，其中，制冷机从真空容器的底部而不是相切地耦合到阵列组。在该实施例中，真空容器602在其基座处包括侧部端口604，以接收两级制冷机。端口604包括凸缘606，用于将其安装到常规的驱动马达。如前所述，制冷机包括指形冷冻器中的第一级圆筒608和第二级圆筒610。指形冷冻器通过法兰612安装到驱动马达。

如在先前的实施例中，安装到第一级散热器616的圆筒614包围第二级，并且还将第一级散热器热耦合到辐射屏蔽件基座618和圆筒620。

在该实施例中，第二级阵列621不仅包括沿着辐射屏蔽件的圆筒620延伸的圆筒，还包括耦合到接合部626以被第二级散热器624冷却的基座622。因此，第二级阵列在辐射屏蔽件的杯内部呈杯的形式。如前所述，挡板212由耦合到辐射屏蔽件的基座618的支柱218支撑。然而，在该实施例中，支柱延伸穿过第二级阵列的基座622中的开口。

在该实施例中，第一级聚焦锥628是起始于底板630的凸起表面，底板630定位在第二级阵列的基座622上方，作为辐射屏蔽件的封闭端部的延伸。底板630通过一组较短的支柱630冷却，支柱通过第二级阵列的基座622中的开口从辐射屏蔽件的基座618延伸。可以在基座622中设置椭圆形开口，以允许短支柱630和延伸的支柱218两者延伸穿过单个椭圆形开口。

图7的实施例可以与图3-5的侧部相切制冷机联接器抑或图6的基座联接器一起使用，但是在此以与图3-5的安装相切的制冷机的实施例一致的配置示出。在该实施例中，在704处，真空容器702在706处的凸缘下方扩大。这允许圆筒形辐射屏蔽708和圆筒形第二级阵列710类似地扩大，并且允许第一级的挡板712扩大。随着这种扩大，存在挡板组件内部的容积直径的扩大，从而导致沿泵核心的中心容积向下的传导性增加。传导性是面积的函数，并且面积随着直径的平方而增加，因此直径的逐步增加显著增加传导性。如前所述，聚焦锥714设置在辐射屏蔽的基座处。

本文引用的所有专利、公开的申请和参考文献的教导通过引用全部并入本文。

虽然已经具体示出和描述了示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所涵盖的实施例的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (15)

1.一种低温泵，包括：

低温制冷机，其包括冷级和更冷级；

辐射屏蔽件，其具有侧部、封闭端部和与所述封闭端部相对的正面开口，所述辐射屏蔽件热耦合到所述冷级并被所述冷级冷却，所述辐射屏蔽件的中心容积和所述正面开口基本上没有低温抽吸表面；

与所述辐射屏蔽件侧部隔开但靠近辐射屏蔽件侧部并沿着所述辐射屏蔽件侧部延伸的主要低温抽吸阵列，所述主要低温抽吸阵列支撑吸附材料，并且耦合到所述更冷级并被所述更冷级冷却；

沿着所述主要低温抽吸阵列延伸的冷凝低温抽吸阵列，所述冷凝低温抽吸阵列屏蔽所述主要低温抽吸阵列，使其免受通过所述辐射屏蔽件的所述正面开口的辐射。

2.根据权利要求1所述的低温泵，其中，所述主要低温抽吸阵列是在向内面向的表面上具有吸附剂的圆筒。

3.根据权利要求1或2所述的低温泵，其中，所述冷凝低温抽吸阵列包括挡板阵列，所述挡板阵列具有面向所述正面开口的表面。

4.根据权利要求1所述的低温泵，其中，所述冷凝低温抽吸阵列位于从所述辐射屏蔽件的正面开口到所述主要低温抽吸阵列的基本上所有直线的路径中。

5.根据权利要求1所述的低温泵，其中，所述辐射屏蔽件封闭端部包括凸起表面，所述凸起表面将分子从所述正面开口朝向所述主要低温抽吸阵列重新引导。

6.根据权利要求5所述的低温泵，其中，所述凸起表面升高到沿着所述辐射屏蔽件的中心轴线的一点。

7.根据权利要求5所述的低温泵，其中，所述凸起表面是锥形的。

8.根据权利要求1所述的低温泵，其具有至少20%的氢气捕集概率。

9.根据权利要求1所述的低温泵，其中，到所述主要低温抽吸阵列的辐射负荷小于3%。

10.根据权利要求1所述的低温泵，其中，到所述主要低温抽吸阵列的辐射负荷小于2%。

11.根据权利要求1所述的低温泵，其中，到所述主要低温抽吸阵列的辐射负荷小于1%。

12.根据权利要求1所述的低温泵，其中，所述低温制冷机包括指形冷冻器，所述指形冷冻器具有所述冷级和所述更冷级，所述指形冷冻器相对于所述辐射屏蔽件相切地延伸。

13.根据权利要求1所述的低温泵，其中，所述辐射屏蔽件热耦合到屏蔽件并通过所述屏蔽件冷却，所述屏蔽件耦合到所述冷级并包围所述制冷机的更冷级。

14.根据权利要求1所述的低温泵，其中，所述低温制冷机包括指形冷冻器，所述制冷机的更冷级耦合到所述主要低温抽吸阵列的基座，所述主要低温抽吸阵列的基座上方有底板，在底板上提供有凸起表面，所述凸起表面将分子从所述正面开口朝向所述主要低温抽吸阵列重新引导，并且支柱穿过所述主要低温抽吸阵列的所述基座，所述冷凝低温抽吸阵列和所述底板通过支柱耦合到所述制冷机的所述冷级。

15.根据权利要求1所述的低温泵，还包括真空容器，所述真空容器具有围绕凸缘开口的安装凸缘，所述真空容器、辐射屏蔽件和主要低温抽吸阵列每一者的直径大于所述凸缘开口直径。

Images