低温真空泵原理与结构

低温真空泵原理与结构低温真空泵原理与结构 低温真空泵原理与结构 低温泵的结构 低温泵又叫低温真空泵、冷泵、冷凝泵。低温泵的冷源可 以是低温液体(液氮或液氦)，也可以是低温制冷机。 这里介绍制冷机型低温泵， 这种低温泵 的制冷机在两个温度级上产生制冷， 分别冷却两个低温表面， 被抽的气体就被冷却在低温表 面上。 制冷机的一级通常工作在50K—70K 范围，它用来冷却靠外的冷板，这个外部冷板既为更冷 的冷板充当防辐射的屏蔽， 同时又用来冷却挡在泵入口处的百叶窗(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的情形。 制冷机的二级，即最冷的一级，通常工作在10K—20K 之间，用来冷却靠内的冷板，它冷冻 穿过百叶窗的 N2、O2、Ar 等气体。不能被这一温度冷冻的气体被位于冷板内部的活性炭吸 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的压力降到极低水平的能力。 它表示了低温沉积层上面平衡压力 和低温沉积温度之间的关系。 例如：水在 760Torr 压力下在 373K 沸腾。在 273K 的结冰温度 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4×10-8Torr。如果在 制冷机一级温度上，压力将低于10-10 托数量级。从这个图上我们也可看出，对N2 来说， 如果冷板温度小于等于 20K，压力将小于 10-10 托。 低温泵抽气机理之二：低温吸附 单用低温冷凝是不够的，Ne、H2、He 等气体在 20K 的平衡蒸汽压力太高了，不能被低温冷 凝在光的表面上，因而，用活性炭来吸附这些气体。 用活性炭作吸附材料是因为它有大的表 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。 吸附在活性炭上的氢的平衡压 力决定于活性炭温度和已吸附的氢的量。 随着吸附的氢的增加， 吸附就变为在活性炭表面的 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10-6 托吸住 280SCC 的氢。低温泵能够吸住气体的最大量(抽气容量)是指 对特定的气体种类的抽吸能力，也就是低温泵被再生前抽除的气体的体积。 低温泵的抽气速度 (抽速) 低温泵设计者一般对抽气速度最感兴趣，气体由于所具有的热能(等于动能)而流人真空泵， 由此可得出如下关系式： 气体进入泵开口的平均速度等于气体常数乘以温度， 再除以 2π 乘 气体分子量的平方根，这样低温泵的理想抽速就等于平均速度乘以气体可以流过的泵口面 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。 这样一种分子的速度仅仅由分 子重量决定，较轻的气体具有较大的速度，氢的分子重量是2，通过每平方厘米开口面积上 的抽速为 44.6L/S。水分子量为 18，理想抽速为 14.9L/Scm2，而氮为这组中最重的为28， 它的理想抽速为 11.98L/Scm2。 如果所有碰到泵口迎面上的气体分子都冷冻在百叶窗上的话，就实现了理想抽速。事实上， 水就达到了这一点，几乎所有碰到泵表面的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，其余的部分穿过去 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％的空气分子(O2 和 N2)流过它冰冻结在冷板上。 这样， 对 N2 的净抽速是理想抽速 的 25％—40％或 3.0—4.8L/Scm2，Ne、H2、He 要走过更曲折的道路才能到达活性炭部位， 结果只有约 12％—20％的到达泵口表面的H2 分子被低温吸附了，其余将弹回，所以H2 的 净抽速约为理想抽速的 12％—20％或 5.6—8.9L/Scm2。 低温泵的工作真空范围 低温泵典型的工作真空范围为1×10-3—1×10-11 托。 这一范围内气体是自由分子流区， 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。在这一区域抽速是常 数。随着抽气压力增加进人到大于1×10-3 托的转变区，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的特性，而扩散泵的抽速减少。 低温泵的抽气能力 (抽气容量 ) 低温泵能够聚集大量的固态水、空气、氩、氮和氧，然后再蒸发除霜。在这些霜层形成时， 泵的抽速很少降低，制冷温度变化也很少，随着霜层增加到一定程度， 抽速和温度都会有明 显变化。水被聚集在障板上直到堵掉一半的障板面积(例如：一个 φ200 口径的低温泵可凝 聚 300 克水蒸气成冰)。固体氮和氩聚集在低温板的外层达几个厘米，通常这个厚度仅受到 不能挨到辐射屏的限制。(例如：一个 φ200 口径的泵在低温板外凝聚1cm 厚的空气或氩， 其量为 1200 标准升。该泵专门用于溅射台，其低温板较大。另一种同样口径的泵该值仅为 350 标准升)。能吸收氢的量为对氢抽速减少50％时所聚集的氢平衡压力(一段选 l×10-6 托)决定，当抽除其它气体使低温板温度升高时，能吸附氢的量就减少。 抽气容量是指低温泵能抽除(存留)某种特定气体的最大量，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)冷板外面凝聚的氮、氩等厚度太大； 3)吸附阵接近饱和。 在这三个因素中，往往是吸附最先达到饱和，因为与冷凝相比，吸附的量要小于冷凝的量。 所以抽气容量主要由吸附决定(主要因素是吸附剂的性能和数量)。 通常抽气容量是指抽速降到初始抽速的一半时抽出的气体的量， 这时低温泵需要再生了， 实 际中常常是真空度不够好和制冷温度超过20K 时进行再生。 低温泵中制冷机的热负荷 用在低温泵上的制冷机在没有施加热负荷时，二级最低温度约10K，一级最低温度 35K。随 着施加的热负荷增加，每一级上的温度增大。例如给某制冷机加9W 的热负荷将使冷头温度 达 20K，一级上加 17W 的热负荷使其温度达 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， 一级温度约 60K—65K。 这样就对未预先考虑到的来自真空室的热负荷或 由于大的气体流速下增加的热负荷留有一定的余量。上述制冷机冷量分别为5W/12K 和 12W/60K。 冷板的热负荷来自以下三个方面： 1．从真空室来的热辐射； 2．由于气体从室温下被冷却并被在低温下冷冻所放出的冷凝热； 3．腔内殊余气体的导热。 空气的导热系数(大于 1 托压力时基本上是常数)在压力减少到 1 托以下时减少得很快。 在压 力低于 1×10-3 托(这个区域气体处于分子流区)， 由于导热引起的传热通常可以忽略。 在低 温领域中，它被称为绝热真空。对比一下这时的导热性能与通用的热偶真空计， 它的工作原 理是从 1×10-3 托至 l 托范围内的热传导系数的变化为基础的。 辐射热是低温泵的主要热负荷， 对要承受辐射热的低温泵有两点要求： 第一，尽可能多的反 射来自真空室的辐射热； 第二，低温泵应该能吸收难以反射掉的辐射热。 一些很洁净的电抛 光真空室对低温泵辐射热极小， 但多数情况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。 由于辐射热是温度的 4