知識(shí)普及，低溫泵的原理與分類(lèi)

低溫泵(cryopump)

利用低溫表面冷凝氣體的真空泵，又稱(chēng)冷凝泵。低溫泵是獲得清潔真空的極限壓力zui低、抽氣速率zui大的真空泵，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和集成電路的研究和生產(chǎn)，以及分子束研究、真空鍍膜設(shè)備、真空表面分析儀器、離子注入機(jī)和空間模擬裝置等方面。

抽氣原理在低溫泵內(nèi)設(shè)有由液氦或制冷機(jī)冷卻到極低溫度的冷板。它使氣體凝結(jié)，并保持凝結(jié)物的蒸汽壓力低于泵的極限壓力，從而達(dá)到抽氣作用。低溫抽氣的主要作用是低溫冷凝、低溫吸附和低溫捕集。①低溫冷凝：氣體分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的氣體層上，其平衡壓力基本上等于冷凝物的蒸氣壓。抽空氣時(shí)，冷板溫度必須低于25K；抽氫時(shí)，冷板溫度更低。低溫冷凝抽氣冷凝層厚度可達(dá)10毫米左右。②低溫吸附：氣體分子以一個(gè)單分子層厚(10-8厘米數(shù)量級(jí))被吸附到涂在冷板上的吸附劑表面上。吸附的平衡壓力比相同溫度下的蒸氣壓力低得多。如在20K時(shí)氫的蒸氣壓力等于大氣壓力，用20K的活性炭吸氫時(shí)吸附平衡壓力則低于10-8帕。這樣就可能在較高溫度下通過(guò)低溫吸附來(lái)進(jìn)行抽氣。③低溫捕集：在抽氣溫度下不能冷凝的氣體分子，被不斷增長(zhǎng)的可冷凝氣體層埋葬和吸附。

一般說(shuō)來(lái)，泵的極限壓力就是冷板溫度下的被冷凝氣體的蒸氣壓力。溫度為120K時(shí)，水的蒸氣壓已低于10-8帕。溫度為20K時(shí)，除氦、氖和氫外，其他氣體的蒸氣壓也低于10-8帕。但由于被抽容器和低溫冷板的溫度不同，泵的極限壓力高于冷凝物的蒸氣壓。對(duì)于室溫下的容器，低溫板為20K時(shí)，泵的極限壓力約為冷凝物蒸氣壓力的4倍。

類(lèi)型低溫泵分為注入式液氦低溫泵和閉路循環(huán)氣氦制冷機(jī)低溫泵兩種。

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①注入式液氦低溫泵：主要由液氦容器、泵體和連接擋板的液氮腔體等部分組成。為了減少液氦消耗，液氦容器的外壁采用雙層保溫壁并在其間抽成真空。當(dāng)泵被預(yù)抽到10-6帕壓力時(shí)灌入液氮和液氦，氣體凝結(jié)在4.2K的工作冷板上。經(jīng)預(yù)抽使氦氫分壓到10-12帕數(shù)量級(jí)，故泵可獲得10-11帕以下的極限壓力。如果把液氦容器抽真空減壓到6650帕，液氦溫度可降到2.3K，則可得到更低的極限壓力。

②閉路循環(huán)氣氦制冷機(jī)低溫泵：它是70年代出現(xiàn)的新型低溫泵(圖)。這種泵不消耗氦氣、操作簡(jiǎn)便，易于維修，應(yīng)用日漸廣泛。制冷機(jī)的制冷介質(zhì)為氣氦，一級(jí)冷板溫度為50～100K，用來(lái)冷凝水蒸汽和預(yù)冷其他氣體;二級(jí)冷板溫度為10～20K，用來(lái)冷凝氮、氧和氬等氣體。在二級(jí)冷板的內(nèi)表面涂以活性炭。活性炭的比表面積為500～2500米2／克，在低溫下對(duì)氦、氖和氫有很強(qiáng)的吸附能力。冷板由無(wú)氧銅制成，表面拋光達(dá)到鏡面程度，以減小輻射系數(shù)。泵的極限壓力為10-7～10-8帕，工作壓力范圍為10-1～10-7帕，要求預(yù)抽壓力為1帕。制成的產(chǎn)品抽氣速率已達(dá)60000升／秒(1升=10-3米3)。此外，尚可根據(jù)工藝的特點(diǎn)把抽氣冷板安排在被抽容器內(nèi)，其抽氣速率可達(dá)到106升／秒以上。

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熱負(fù)載低油泵的熱負(fù)載主要是氣體的凝結(jié)熱和周?chē)诿鎸?duì)工作冷板的輻射熱。凝結(jié)熱與氣體種類(lèi)有關(guān)，對(duì)于80K、133.322帕•升的氮?dú)?/span>冷凝在20K冷板上的凝結(jié)熱為0.3～0.6焦耳。工作冷板接受的輻射熱與周?chē)诿姘鍦囟群凸ぷ骼浒鍦囟葍烧?次方之差成正比。因此，4.2K和20K工作冷板均用50～100K的冷板來(lái)屏蔽，以減少工作冷板所接受的輻射熱。