低温真空泵原理与结构

1、低温真空泵原理与结构低温真空泵原理与结构低温泵得结构低温泵又叫低温真空泵、冷泵、冷凝泵。低温泵得冷源可以就是低温液体（液氮或液氦）,也可以就是低温制冷机。这里介绍制冷机型低温泵，这种低温泵得制冷机在两个温度级上产生制冷,分别冷却两个低温表面，被抽得气体就被冷却在低温表面上。制冷机得一级通常工作在 50K 70K范围，它用来冷却靠外得冷板，这个外部冷板既为更冷得 冷板充当防辐射得屏蔽，同时又用来冷却挡在泵入口处得百叶窗 （障板）,当水蒸汽碰到障板 上时就被冷冻在它上面，这极像液氮冷阱冷冻水蒸气得情形。制冷机得二级，即最冷得一级，通常工作在10K 20K之间，用来冷却靠内得冷板，它冷冻穿过 百叶窗

2、得N2、02、Ar等气体。不能被这一温度冷冻得气体被位于冷板内部得活性炭吸附。低温泵抽气机理之一：低温冷凝上图表示低温泵把真空室内得压力降到极低水平得能力。它表示了低温沉积层上面平衡压力与低温沉积温度之间得关系。例如：水在760Torr压力下在373K沸腾。在273K得结冰温度上蒸汽压为4Torr。如果冰层被进一步冷却到150K，平衡蒸汽压将为4X 108Torr。如果在制冷机一级温度上，压力将低于1010托数量级。从这个图上我们也可瞧出，对N2来说，如果冷板温度小于等于 20K，压力将小于1010托。低温泵抽气机理之二：低温吸附单用低温冷凝就是不够得，Ne、H2、He等气体在20K得平衡蒸汽

3、压力太高了 ，不能被低温冷 凝在光得表面上，因而，用活性炭来吸附这些气体。用活性炭作吸附材料就是因为它有大得表 面面积，也因为再生过程中它在室温下气体能很容易地脱附。吸附在活性炭上得氢得平衡压 力决定于活性炭温度与已吸附得氢得量。随着吸附得氢得增加，吸附就变为在活性炭表面得冷凝。但冷凝层厚度增加时压力不变。活性炭抽氢能力很大，如果制冷机把1克活性炭保持在15K，它可以在106托吸住280SCC得氢。低温泵能够吸住气体得最大量（抽气容量）就是指对特定得气体种类得抽吸能力，也就就是低温泵被再生前抽除得气体得体积。低温泵得抽气速度（抽速）低温泵设计者一般对抽气速度最感兴趣，气体由于所具有得热能（等于

4、动能）而流人真空泵，由此可得出如下关系式：气体进入泵开口得平均速度等于气体常数乘以温度，再除以2n乘气体分子量得平方根，这样低温泵得理想抽速就等于平均速度乘以气体可以流过得泵口面 积。由于多数真空系统工作在室温，我们设想理想速度基于室温。这样一种分子得速度仅仅由分子重量决定，较轻得气体具有较大得速度，氢得分子重量就是 2,通过每平方厘米开口面积上 得抽速为44、6L/S。水分子量为18,理想抽速为14、9L/Scm2,而氮为这组中最重得为28，它得理想抽速为 11、98L/Scm2。如果所有碰到泵口迎面上得气体分子都冷冻在百叶窗上得话，就实现了理想抽速。事实上，水就达到了这一点，几乎所有碰到泵

5、表面得水分子都粘在了百叶窗表面而不返弹回去。象N2这类气体必须穿过百叶窗冷冻在内部冷板上，一部分分子返弹回去，其余得部分穿过去冷冻在内部冷板上，为了有效阻挡辐射热到达内部冷板，低温泵有人口百叶窗，它允许大约40%25%得空气分子（02与N2）流过它冰冻结在冷板上。这样，对N2得净抽速就是理想抽速得25% 40%或3、0 4、8L/Scm2，Ne、H2、He要走过更曲折得道路才能到达活性炭部 位，结果只有约12% 20%得到达泵口表面得 H2分子被低温吸附了 ，其余将弹回，所以H2得 净抽速约为理想抽速得 12% 20%或5、68、9L/Scm2。低温泵得工作真空范围低温泵典型得工作真空范围为1

6、X 103 1X 1011托。这一范围内气体就是自由分子流区，这意味着它们通常从一个壁面运动到另一壁面而相互之间不发生碰撞。在这一区域抽速就是常数。随着抽气压力增加进人到大于1 X 103托得转变区，抽速增加了，与扩散泵相比，低温泵具有在这一区域内抽速增大得特性，而扩散泵得抽速减少。低温泵得抽气能力（抽气容量）低温泵能够聚集大量得固态水、空气、氩、氮与氧，然后再蒸发除霜。在这些霜层形成时，泵得抽速很少降低，制冷温度变化也很少，随着霜层增加到一定程度，抽速与温度都会有明显 变化。水被聚集在障板上直到堵掉一半得障板面积（例如:一个$ 200 口径得低温泵可凝聚300克水蒸气成冰）。固体氮与氩聚集在

7、低温板得外层达几个厘米，通常这个厚度仅受到不能挨到辐射屏得限制。（例如：一个$ 200 口径得泵在低温板外凝聚1cm厚得空气或氩，其量为1200标准升。该泵专门用于溅射台，其低温板较大。另一种同样口径得泵该值仅为350标准升）。能吸收氢得量为对氢抽速减少50%时所聚集得氢平衡压力 （一段选I X 106托）决定，当抽除其它气体使低温板温度升高时，能吸附氢得量就减少。抽气容量就是指低温泵能抽除 （存留）某种特定气体得最大量，单位为托升,mbar L或者 std L。抽气容量由以下因素决定：1）障板抽水蒸气达到了覆盖一半流通面积；2）冷板外面凝聚得氮、氩等厚度太大；3）吸附阵接近饱与。在这三个因素

8、中，往往就是吸附最先达到饱与 ，因为与冷凝相比，吸附得量要小于冷凝得量。所以抽气容量主要由吸附决定（主要因素就是吸附剂得性能与数量）。通常抽气容量就是指抽速降到初始抽速得一半时抽出得气体得量，这时低温泵需要再生了 ，实际中常常就是真空度不够好与制冷温度超过20K时进行再生。低温泵中制冷机得热负荷用在低温泵上得制冷机在没有施加热负荷时，二级最低温度约10K，级最低温度35K。随着施加得热负荷增加，每一级上得温度增大。例如给某制冷机加9W得热负荷将使冷头温度达20K，一级上加17W得热负荷使其温度达 77K。我们把低温冷板标称温度定为在正常工作时二 级温度约12K, 级温度约60K 65K。这样就

9、对未预先考虑到得来自真空室得热负荷或由于 大得气体流速下增加得热负荷留有一定得余量。上述制冷机冷量分别为 5W/12K与12W/60K。冷板得热负荷来自以下三个方面：1. 从真空室来得热辐射；2. 由于气体从室温下被冷却并被在低温下冷冻所放出得冷凝热；3. 腔内殊余气体得导热。空气得导热系数（大于1托压力时基本上就是常数）在压力减少到1托以下时减少得很快。在 压力低于1X 103托（这个区域气体处于分子流区 ），由于导热引起得传热通常可以忽略。在低温领域中，它被称为绝热真空。对比一下这时得导热性能与通用得热偶真空计，它得工作原理就是从1X 103托至I托范围内得热传导系数得变化为基础得。辐射热

10、就是低温泵得主要热负荷 , 对要承受辐射热得低温泵有两点要求 : 第一 ,尽可能多得反 射来自真空室得辐射热 ; 第二 , 低温泵应该能吸收难以反射掉得辐射热。一些很洁净得电抛光真空室对低温泵辐射热极小 , 但多数情况就是真空室壁面上吸附了水蒸汽后辐射热量几乎与 黑体辐射相等。由于辐射热就是温度得 4 次方得函数。如果在真空室有对低温泵产生辐射得高温热源, 就容易地使低温泵热负荷过大 , 因而, 用水冷挡板来把真空室中得高温热源与低温泵屏蔽开。低温泵冷板应该抛光良好 ,在降温过程中就能反射辐射热 ,但就是 ,一旦薄得水层凝结在低温表面 就会使表面变成吸收热辐射得热学黑体表面。在低温泵中由于气体冷凝所产生得热负荷通常很小, 但有一个例外得情况就是当低温泵用于在溅射台中抽氩时。冷凝氩产生得热负荷大多数由制冷机二级承担。冷凝1托升/秒得氩大约需0、7