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知識普及，低溫泵的原理與分類詳解
點擊次數：1741 發布時間：2016-5-13
低溫泵(cryopump)
利用低溫表面冷凝氣體的真空泵，又稱冷凝泵。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，廣泛應用于半導體和集成電路的研究和生產，以及分子束研究、真空鍍膜設備、真空表面分析儀器、離子注入機和空間模擬裝置等方面。
抽氣原理在低溫泵內設有由液氦或制冷機冷卻到極低溫度的冷板。它使氣體凝結，并保持凝結物的蒸汽壓力低于泵的極限壓力，從而達到抽氣作用。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，冷板溫度必須低于25K；抽氫時，冷板溫度更低。低溫冷凝抽氣冷凝層厚度可達10毫米左右。②低溫吸附：氣體分子以一個單分子層厚(10-8厘米數量級)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時氫的蒸氣壓力等于大氣壓力，用20K的活性炭吸氫時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低溫吸附來進行抽氣。③低溫捕集：在抽氣溫度下不能冷凝的氣體分子，被不斷增長的可冷凝氣體層埋葬和吸附。
一般說來，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，水的蒸氣壓已低于10-8帕。溫度為20K時，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。對于室溫下的容器，低溫板為20K時，泵的極限壓力約為冷凝物蒸氣壓力的4倍。
類型低溫泵分為注入式液氦低溫泵和閉路循環氣氦制冷機低溫泵兩種。
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。當泵被預抽到10-6帕壓力時灌入液氮和液氦，氣體凝結在4.2K的工作冷板上。經預抽使氦氫分壓到10-12帕數量級，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閉路循環氣氦制冷機低溫泵：它是70年代出現的新型低溫泵(圖)。這種泵不消耗氦氣、操作簡便，易于維修，應用日漸廣泛。制冷機的制冷介質為氣氦，一級冷板溫度為50～100K，用來冷凝水蒸汽和預冷其他氣體;二級冷板溫度為10～20K，用來冷凝氮、氧和氬等氣體。在二級冷板的內表面涂以活性炭。活性炭的比表面積為500～2500米2／克，在低溫下對氦、氖和氫有很強的吸附能力。冷板由無氧銅制成，表面拋光達到鏡面程度，以減小輻射系數。泵的極限壓力為10-7～10-8帕，工作壓力范圍為10-1～10-7帕，要求預抽壓力為1帕。制成的產品抽氣速率已達60000升／秒(1升=10-3米3)。此外，尚可根據工藝的特點把抽氣冷板安排在被抽容器內，其抽氣速率可達到106升／秒以上。
熱負載低油泵的熱負載主要是氣體的凝結熱和周圍壁面對工作冷板的輻射熱。凝結熱與氣體種類有關，對于80K、133.322帕•升的氮氣冷凝在20K冷板上的凝結熱為0.3～0.6焦耳。工作冷板接受的輻射熱與周圍壁面板溫度和工作冷板溫度兩者4次方之差成正比。因此，4.2K和20K工作冷板均用50～100K的冷板來屏蔽，以減少工作冷板所接受的輻射熱。