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低温泵

低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵,又称冷凝泵。低温泵可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空,广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产,以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。
抽气原理
在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。它使气体凝结,并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力,从而达到抽气作用。低温抽气的主要作用是低温冷凝、低温吸附和低温捕集。①低温冷凝:气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上,其平衡压力基本上等于冷凝物的蒸气压。抽空气时,冷板温度必须低于 25K;抽氢时,冷板温度更低。低温冷凝抽气冷凝层厚度可达10毫米左右。②低温吸附:气体分子以一个单分子层厚 ( 厘米数量级)被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上。吸附的平衡压力比相同温度下的蒸气压力低得多。如在 20K时氢的蒸气压力等于大气压力,用 20K的活性炭吸氢时吸附平衡压力则低于 帕。这样就可能在较高温度下通过低温吸附来进行抽气。③低温捕集:在抽气温度下不能冷凝的气体分子,被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。 一般说来,泵的极限压力就是冷板温度下的被冷凝气体的蒸气压力。温度为120K时,水的蒸气压已低于 帕。温度为20K时,除氦、氖和氢外,其他气体的蒸气压也低于 帕。但由于被抽容器和低温冷板的温度不同,泵的极限压力高于冷凝物的蒸气压。对于室温下的容器,低温板为20K时,泵的极限压力约为冷凝物蒸气压力的4倍。
类型
低温泵分为注入式液氦低温泵和闭路循环气氦制冷机低温泵两种。 注入式液氦低温泵 主要由液氦容器、泵体和连接挡板的液氮腔体等部分组成。为了减少液氦消耗,液氦容器的外壁采用双层保温壁并在其间抽成真空。当泵被预抽到 帕压力时灌入液氮和液氦,气体凝结在4.2K的工作冷板上。经预抽使氦氢分压到 帕数量级,故泵可获得 帕以下的极限压力。如果把液氦容器抽真空减压到6650帕,液氦温度可降到2.3K,则可得到更低的极限压力。 闭路循环气氦制冷机低温泵 它是70年代出现的新型低温泵。这种泵不消耗氦气、操作简便,易于维修,应用日渐广泛。制冷机的制冷介质为气氦,一级冷板温度为50~100K,典型应用是65K,用来冷凝水蒸汽和预冷其他气体;二级冷板温度为10~20K,用来冷凝氮、氧和氩等气体。在二级冷板的内表面涂以活性炭。活性炭在低温下对氦、氖和氢有很强的吸附能力。冷板由无氧铜制成,表面抛光达到镜面程度,以减小辐射系数。泵的极限压力为 帕,工作压力范围为 帕,要求预抽压力为1帕。制成的产品抽气速率已达60000升/秒。此外,尚可根据工艺的特点把抽气冷板安排在被抽容器内,其抽气速率可达到106升/秒以上。
热负载
低温泵的热负载主要是气体的凝结热和周围壁面对工作冷板的辐射热。凝结热与气体种类有关,对于 80K、133.322帕·升的氮气冷凝在20K冷板上的凝结热为0.3~0.6焦耳。工作冷板接受的辐射热与周围壁面板温度和工作冷板温度两者的4次方之差成正比。因此,4.2K和20K工作冷板均用50~100K的冷板来屏蔽,以减少工作冷板所接受的辐射热。
结构特点
立式结构:适于埋装在地下,不会受电动机热风、空气温度和日照等影响,易于保冷;能降低泵的吸上高度,增加灌注头,提高有效汽蚀余量;立式结构还有利于排气,使悬挂轴有足够高度便于布置轴封装置,故该泵也称为立式筒型泵。 对称结构:泵的总体结构力求对称布置,以便在冷态下能均匀变形。冷头一般采用二级机构,第一级达到80K,第二级达到温度10K。 双层壳体:为了保冷方便和有利于输送危险介质,通常都制成双层壳体,内壳里面承受泵压,内外壳之间是吸入压力,这样可适当降低内壳的强度要求。外壳需做成真空夹层,已达到隔热效果。
优势
(1)低温泵在获取洁净和无油真空方面,具有其他产品无法相比的优势。它可以作为研究其他真空泵对真空污染程度的标准; (2)低温泵在抽除水蒸汽和其他潮湿混合气方面具有较大抽速; (3)低温泵在抽取轻重量分子方面也具有较大抽速; (4)在要求大抽速的真空设备中,低温泵是最经济的。商品化的低温泵可以在很小的口径下提供大的抽速 (5)低温泵是基于低温吸附而工作的,不需要其他电子材料,不会有波动; (6)在真空中无任何运动部件,高稳定性,也不会带来密封问题; (7)低温泵的安装无任何方向要求; (8)低温泵还可以进行选择性的抽取某种气体。
吸附材料
吸附材料对低温泵的工作性能具有较大的影响。单从真空获得方面来说,一台无任何吸附剂的低温泵或许也可以满足要求。但是,一般情况下低温泵是依靠液氦或制冷机而获得低温的,其最低温度能达到4 K。而此时又需要低温泵抽除氦气,因为真空检漏会经常用到氦气。因此,低温泵需要通过吸附材料来帮助其抽除气体。另外,吸附材料在低温下比无吸附材料的泠凝吸附可以得到更低的平衡压力。低温泵的工作方式是通过表面吸附而进行的,表面积越大对低温泵的工作性能越有利。因此,合适的吸附材料必须具有较大的比表面和吸附容量。对吸附材料进行表征的物理量主要有:几何形状和颗粒大小分布;表面结构;密度;比表面积;孔径分布、孔容和平均孔径大小等。目前研究低温泵的吸附材料主要是通过以上参数的表征而进行的 。
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