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低溫泵是利用低溫表面冷凝氣體的真空泵,又稱冷凝泵。低溫泵可以獲得抽氣速率最大、極限壓力最低的清潔真空,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 ( 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 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 帕。溫度為20K時,除氦、氖和氫外,其他氣體的蒸氣壓也低于 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。 低溫泵(3張)
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。 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 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 帕數量級,故泵可獲得 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。 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。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,典型應用是65K,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?;钚蘊吭詰臀孿露院?、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 帕,工作壓力范圍為 帕,要求預抽壓力為1帕。制成的產品抽氣速率已達60000升/秒。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
低溫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的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。
結構特點
立式結構:適于埋裝在地下,不會受電動機熱風、空氣溫度和日照等影響,易于保冷;能降低泵的吸上高度,增加灌注頭,提高有效汽蝕余量;立式結構還有利于排氣,使懸掛軸有足夠高度便于布置軸封裝置,故該泵也稱為立式筒型泵。 對稱結構:泵的總體結構力求對稱布置,以便在冷態下能均勻變形。冷頭一般采用二級機構,第一級達到80K,第二級達到溫度10K。 雙層殼體:為了保冷方便和有利于輸送危險介質,通常都制成雙層殼體,內殼里面承受泵壓,內外殼之間是吸入壓力,這樣可適當降低內殼的強度要求。外殼需做成真空夾層,已達到隔熱效果。
優勢
(1)低溫泵在獲取潔凈和無油真空方面,具有其他產品無法相比的優勢。它可以作為研究其他真空泵對真空污染程度的標準; (2)低溫泵在抽除水蒸汽和其他潮濕混合氣方面具有較大抽速; (3)低溫泵在抽取輕重量分子方面也具有較大抽速; (4)在要求大抽速的真空設備中,低溫泵是最經濟的。商品化的低溫泵可以在很小的口徑下提供大的抽速 (5)低溫泵是基于低溫吸附而工作的,不需要其他電子材料,不會有波動; (6)在真空中無任何運動部件,高穩定性,也不會帶來密封問題; (7)低溫泵的安裝無任何方向要求; (8)低溫泵還可以進行選擇性的抽取某種氣體。
吸附材料
吸附材料對低溫泵的工作性能具有較大的影響。單從真空獲得方面來說,一臺無任何吸附劑的低溫泵或許也可以滿足要求。但是,一般情況下低溫泵是依靠液氦或制冷機而獲得低溫的,其最低溫度能達到4 K。而此時又需要低溫泵抽除氦氣,因為真空檢漏會經常用到氦氣。因此,低溫泵需要通過吸附材料來幫助其抽除氣體。另外,吸附材料在低溫下比無吸附材料的泠凝吸附可以得到更低的平衡壓力。低溫泵的工作方式是通過表面吸附而進行的,表面積越大對低溫泵的工作性能越有利。因此,合適的吸附材料必須具有較大的比表面和吸附容量。對吸附材料進行表征的物理量主要有:幾何形狀和顆粒大小分布;表面結構;密度;比表面積;孔徑分布、孔容和平均孔徑大小等。目前研究低溫泵的吸附材料主要是通過以上參數的表征而進行的  。
吸附材料
吸附材料對低溫泵的工作性能具有較大的影響。單從真空獲得方面來說,一臺無任何吸附劑的低溫泵或許也可以滿足要求。但是,一般情況下低溫泵是依靠液氦或制冷機而獲得低溫的,其最低溫度能達到4 K。而此時又需要低溫泵抽除氦氣,因為真空檢漏會經常用到氦氣。因此,低溫泵需要通過吸附材料來幫助其抽除氣體。另外,吸附材料在低溫下比無吸附材料的泠凝吸附可以得到更低的平衡壓力。低溫泵的工作方式是通過表面吸附而進行的,表面積越大對低溫泵的工作性能越有利。因此,合適的吸附材料必須具有較大的比表面和吸附容量。對吸附材料進行表征的物理量主要有:幾何形狀和顆粒大小分布;表面結構;密度;比表面積;孔徑分布、孔容和平均孔徑大小等。目前研究低溫泵的吸附材料主要是通過以上參數的表征而進行的 [1]  。
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