低溫真空泵原理與結(jié)構(gòu)

低溫真空泵原理與結(jié)構(gòu)低溫真空泵原理與結(jié)構(gòu)低溫泵的結(jié)構(gòu)低溫泵又叫低溫真空泵、冷泵、冷凝泵。低溫泵的冷源可以是低溫液體(液氮或液氦)，也可以是低溫制冷機。這里介紹制冷機型低溫泵，這種低溫泵的制冷機在兩個溫度級上產(chǎn)生制冷，分別冷卻兩個低溫表面，被抽的氣體就被冷卻在低溫表面上。制冷機的一級通常工作在50K—70K范圍，它用來冷卻靠外的冷板，這個外部冷板既為更冷的冷板充當防輻射的屏蔽，同時又用來冷卻擋在泵入口處的百葉窗(障板)，當水蒸汽碰到障板上時就被冷凍在它上面，這極像液氮冷阱冷凍水蒸氣的情形。制冷機的二級，即最冷的一級，通常工作在10K—20K之間，用來冷卻靠內(nèi)的冷板，它冷凍穿過百葉窗的N2、O2、Ar等氣體。不能被這一溫度冷凍的氣體被位于冷板內(nèi)部的活性炭吸附。

低溫泵抽氣機理之一：低溫冷凝上圖表示低溫泵把真空室內(nèi)的壓力降到極低水平的能力。它表示了低溫沉積層上面平衡壓力和低溫沉積溫度之間的關(guān)系。例如：水在760Torr壓力下在373K沸騰。在273K的結(jié)冰溫度上蒸汽壓為4Torr。如果冰層被進一步冷卻到150K，平衡蒸汽壓將為4×10-8Torr。如果在制冷機一級溫度上，壓力將低于10-10托數(shù)量級。從這個圖上我們也可看出，對N2來說，如果冷板溫度小于等于20K，壓力將小于10-10托。低溫泵抽氣機理之二：低溫吸附單用低溫冷凝是不夠的，Ne、H2、He等氣體在20K的平衡蒸汽壓力太高了，不能被低溫冷凝在光的表面上，因而，用活性炭來吸附這些氣體。用活性炭作吸附材料是因為它有大的表面面積，也因為再生過程中它在室溫下氣體能很容易地脫附。吸附在活性炭上的氫的平衡壓力決定于活性炭溫度和已吸附的氫的量。隨著吸附的氫的增加，吸附就變?yōu)樵诨钚蕴勘砻娴睦淠５淠龑雍穸仍黾訒r壓力不變?；钚蕴砍闅淠芰艽?，如果制冷機把1克活性炭保持在15K，它可以在10-6托吸住280SCC的氫。低溫泵能夠吸住氣體的最大量(抽氣容量)是指對特定的氣體種類的抽吸能力，也就是低溫泵被再生前抽除的氣體的體積。低溫泵的抽氣速度(抽速)低溫泵設(shè)計者一般對抽氣速度最感興趣，氣體由于所具有的熱能(等于動能)而流人真空泵，由此可得出如下關(guān)系式：氣體進入泵開口的平均速度等于氣體常數(shù)乘以溫度，再除以2π乘氣體分子量的平方根，這樣低溫泵的理想抽速就等于平均速度乘以氣體可以流過的泵口面積。3．腔內(nèi)殊余氣體的導熱?？諝獾膶嵯禂?shù)(大于1托壓力時基本上是常數(shù))在壓力減少到1托以下時減少得很快。在壓力低于1×10-3托(這個區(qū)域氣體處于分子流區(qū))，由于導熱引起的傳熱通?？梢院雎?。在低溫領(lǐng)域中，它被稱為絕熱真空。對比一下這時的導熱性能與通用的熱偶真空計，它的工作原理是從1×10-3托至l托范圍內(nèi)的熱傳導系數(shù)的變化為基礎(chǔ)的。輻射熱是低溫泵的主要熱負荷，對要承受輻射熱的低溫泵有兩點要求：第一，盡可能多的反射來自真空室的輻射熱；第二，低溫泵應該能吸收難以反射掉的輻射熱。一些很潔凈的電拋光真空室對低溫泵輻射熱極小，但多數(shù)情況是真空室壁面上吸附了水蒸汽后輻射熱量幾乎與黑體輻射相等。由于輻射熱是溫度的4次方的函數(shù)。如果在真空室有對低溫泵產(chǎn)生輻射的高溫熱源，就容易地使低溫泵熱負荷過大，因而，用水冷擋板來把真空室中的高溫熱源與低溫泵屏蔽開。低溫泵冷板應該拋光良好，在降溫過程中就能反射輻射熱，但是，一旦薄的水層凝結(jié)在低溫表面，就會使表面變成吸收熱輻射的熱學黑體表面。在低溫泵中由于氣體冷凝所產(chǎn)生的熱負荷通常很小，但有一個例外的情況是當?shù)蜏乇糜糜谠跒R射臺中抽氬時。冷凝氬產(chǎn)生的熱負荷大多數(shù)由制冷機二級承擔。冷凝1托·升/秒的氬大約需0.7W冷量。制冷機二級溫度隨著氬流量的增大而上升。由于通常需要同時把氫保持在活性炭上，低溫泵的流量設(shè)定應以低溫板溫度不大于20K為標準(這時的流量為最大流量)。