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1、低温（冷凝）泵一、工作原理1.低温冷凝物质的饱和蒸汽压随温度降低而降低，通过设法使某一固体表面温度足够低，使被抽气体的饱和蒸汽压大大降低，被凝结在低温表面上，达到抽除气相分子的目的。h2容易爆炸，液 氮对氧气和氩气的效果较差，现代低温泵用液氦或制冷机循环低温气氦来冷却。即不可凝气体被可凝气体捕集的现象。通常C02、H20、S02、N2、Ar、Ne等气体首先成 霜于低温表面形成吸附层，进而吸附其他气体，并降低其分压强。因此低温泵抽除混合气体 的效果比单一气体好。冷捕集过程包括两个方面， 1）裹挟性的共吸附，即当可凝气体流向低温表面凝结时，把非可凝性气体也裹带到低温表面上，共同被吸附；2）可凝性气
2、体在低温表面形成固态沉积层， 这是一种多孔性疏松的结晶结构，像多孔固体吸附剂一样，吸附一定的不可凝气体，从而使 不可凝气体的压强降低，起到一定抽气作用。3.低温吸附 低温表面上的吸附剂吸附气体的作用。由于吸附剂与气体分子间的相互作用力很强，故可以 达到气相压强比冷表面温度下其饱和蒸汽压还低的水平。通常吸附剂选择活性炭或分子筛。 低温泵抽走的气体不是直接排到泵外，而是吸附存储在泵内。二、典型结构1.储槽式液氦低温（冷凝）泵液氦容器的底部平面是低温抽气表面。热设计：1）液氦外是抽空双层保温壁；2）人字形挡板屏蔽外部热辐射，同时由于和液氮容 器连接，具有接近液氮的温度，能预先冷却气体，降低其与抽气表
3、面的温度差；可凝气体被 冷凝在它上面，不可凝气体则被预冷，减小了对低温冷量的消耗；既能与气体分子充分交换 能量，又具有较大的气体通导能力；3）辐射屏固定在液氦容器颈管处，并被排出的气体冷 却，屏内壁涂黑，外壁镀银，温度小于30K,可减小液氦透过泵内空间及双层保温壁进入的 热辐射。-6S32iI 一袴爵面；2人忖形描卸 3法兰；4驱层外套* 刁一钢稱匚启一辐射屏* 7-權瓠4 H一険丸*液氦消耗：1）被抽气体与抽气表面间的温度差；2）被抽气体凝结时放出的冷凝热和吸附时放出的吸附热；3）液氮透过泵内空间及双层保温壁而进入的热辐射；4）液氦容器材料的导 热损失。考虑到减小液氦的消耗，一般由其他泵预抽
4、到高真空或超高真空，再灌入液氮和液氦，开始工作。其性能良好，极限真空度可达lO-io10-iiPa,但使用中要消耗昂贵的液氦，运行费用槪帰1很高，实际中很少使用。2.闭路循环气氦制冷机低温（冷凝）泵一麵燈板农装注130K检賢绘肝tl JH :喘拎去isK二廻冷枇束口用户鼻空耒统妁吒犠IHHM和hMlQJI甲*7*闭环咄拎机*利用气体氦作为介质，由一小型制冷机循环制冷，不消耗氦气；有两个冷壁，第一级冷壁冷駐吸讯_ J剧舟尿耿廿肇闵80K，用于冷凝H2O和CO2并预冷气体气体，同时冷却百叶窗挡板和屏蔽外界辐射；第二级冷壁1015K,冷凝N2、O2、A等，但是不能冷凝He、H2、Ne等，在内壁上涂有
5、活性 炭，对惰性气体进行低温吸附。极限压强约10-910-ioPa。可从几千帕开始抽气，但这样会使泵的抽气容量过早饱和，通常在前级泵抽至510Pa后再 启动，以充分发挥其在高真空及超高真空下的性能。三、工作特性低温泵抽气模型左：T、p被抽容器温度、气体压强右：Ts、ps低温泵冷壁温度及此温度下气体的饱和蒸气压1.极限压强分子流状态下，气体分子在单位面积上的碰撞频度(单位时间碰撞的分子数)为1_pN = -nv = 4 2nmkTpa设黏附几率为化，则单位表面吸附分子的速率为N1如果凝聚的分子数超过单分子层而形成凝聚固态，则单位时间单位面积蒸发的分子数(蒸发速率)为N22nmkT当吸附速率和蒸发
6、速率平衡时，叫=篦，抽速为零，此时的气相压强便是极限压强仏，即1 rT=卩 Va匕tCS在低温泵的温度下，除了 He、H2、Ne,其他气体的黏附几率化=1。如设T=300K,化=4.2K, 则=8.4ps在超高真空下，冷凝泵的极限压强主要由被抽气体的饱和蒸汽压和被抽容器的表面放气压强 构成。而低温泵所用的材料大多数是不锈钢，不锈钢放出的主要是氢气，因此增强低温泵对 氢的抽除很有意义。降低低温泵极限压强的主要措施：1)降低冷面温度7；和挡板温度G降低7；可降低被抽气体的饱和蒸气压，降低G可减少已凝结气体的脱附。极限压强与挡板温 度及气体饱和蒸气压的关系为pu = Ps + a(t2-t2)式中，
7、A与辐射屏有关的常数。当挡板温度升高时，极限压强升高，尤其当挡板温度高于90K后，情况更恶化。这是由于 挡板温度上升，原来可凝结在挡板上的气体量减少，不可凝气体也不能得到很好的预冷，从 而把相当大的热量带到冷区的冷壁上；此外，从挡板辐射到低温板上的热量增加，使已凝结 的h2大量脱附。于是，低温冷凝泵的极限压强就偏离了该冷凝板温度下被冷凝氢的饱和蒸 气压，极限压强升高。因此要降低极限压强，必须降低挡板温度。2)降低低温抽气前容器中不可凝气体的分压强 低温泵得到极限压强后的主要残余气体成分是不可凝气体，去除这些气体的方法主要有;(1) 预抽法：在低温泵启动前，先用其他泵对容器进行预抽，减小不可凝气
8、体分压。预抽 真空度越高,泵的越低。预抽可以减少冷量的消耗及冷面上凝结层量,从而提高泵的寿命。(2) 冲洗法：如用20K下的低温可凝气体C02、N2等冲洗被抽容器，经几次冲洗置换后， 可大大减少容器中原有的不可凝气体，且分压大大降低。低温泵启动后，可凝性气体容易冷 凝，泵的降低。(3) 提高吸附抽气效率。选择吸附效果好的吸附剂，增加对难冷凝气体的吸附。选择原则 是表面积大且热传导性好。(4) 利用冷捕集效应抽除不可凝气体。2.抽速设泵的冷却表面积为A,则低温泵的抽速为（n1-n2）：单位时间单位面积抽除的气体分子数；（坷主）：单位时间单位面积抽除的气体 n体积。:代入上式得S =(1 2nm
9、c1 _=- vAa (1 4八将 = 14550、T补/(s .cm2)匸cm/s代入，并令A=lcm2，得单位冷冻面积下得抽速为So = 3.64叫（1-亏）寸如令化=1,且工作压强远高于极限压强，即卩血，则T=3.64 厶/(s cm2)对20C空气，有So = 11.6厶/（s cm2）最大理论比抽速，即打赏冷却表面的0气相分子全部被表面凝聚清除。上图是室温下CO2在77K低温冷面上凝结的典型抽速曲线。刚开始抽气时，泵口压强较高， 气流量大于泵的低温冷凝能力，而且由于气体的热传导和对流传热效应较强，冷凝层表面温 度升高，吸附几率较低，并且非凝结性气体在冷凝板附近堆积，对被抽气体形成阻挡
10、层，可 凝性气体必须经过碰撞才能通过阻挡层凝结在冷凝层板上，此时气体分子在冷凝表面（或阻 挡层）上的反射数量较大，所以抽速较低。随着压强逐渐降低，冷壁温度趋于稳定，气体分 子的反射量下降，被冷凝吸附的气体分子数量逐渐上升，即抽速增加，直至达到某一最大（临 界）值。此后，虽然随着气体压强的降低，气体反射量继续降低，但因为吸附冷凝层中冷凝 的气体重新蒸发的数量增加，且随压强下降单位时间内碰撞到冷凝表面的气体分子数量下降， 使得重新蒸发的气体分子数量大于反射量减少的数量，所以抽速下降。低温泵的抽速与冷表面的面积、粘有活性炭的吸附表面的几何形状及位置有关，活性炭的颗 粒结构、粘接材料及粘接工艺，也对抽
11、速有不小影响。3.排气容量低温泵排气容量，定义为当泵的抽速下降为最大抽速80%时，泵内吸附的总的气体量。 当抽气机理主要为低温冷凝时，排气容量由冷凝层厚度决定。冷凝层越厚，表面和底层的温 度差越大，若要求的极限压强高，则允许的温差较高，排气容量就越大；若要求的极限压强 低，则允许的温差就小，排气容量就小。当抽气机理主要为低温吸附时，如抽氢时，排气量主要决定于活性炭的结构、与冷表面的热 接触性能及吸气后孔的堵塞情况。4.再生 低温泵工作一段时间达到排气容量后，需要进行再生，以清除冷壁上的低温冷凝层，恢复泵 的抽速和极限压强。步骤如下：1）停机，待泵中温度恢复至常温，使早先吸附的气体脱附，并经放气
12、阀排出。为加速这一 过程，可用加热到一定温度的氮气或氩气对泵内进行冲刷。冲刷温度应低于80C，以防止 活性炭吸附剂上吸附的气体分子转化为化学吸附，否则吸附剂就会失效。2）冷凝层完全脱附后，用机械泵对冷凝泵进行粗抽，一般抽至5Pa左右启动冷凝泵，然后 关闭机械泵和冷凝泵之间的真空阀及机械泵，这时低温泵进入正常工作状态。5.优缺点优点：1）极限压强低，可达10-iiPa； 2）抽速大，对20C空气最大抽速可达106L/S； 3）可 抽除所有气体； 4）清洁无污染； 5）可根据被抽空间要求设计成最有利的几何形状。低温泵的缺点： 1）价格高； 2）运行时需要制冷剂或制冷设备； 3）需要再生等操作，不能 长时间连续抽气。
