真空技術(shù)筆記

1、低溫（冷凝）泵一、工作原理1.低溫冷凝物質(zhì)的飽和蒸汽壓隨溫度降低而降低，通過設(shè)法使某一固體表面溫度足夠低，使被抽氣體的 飽和蒸汽壓大大降低，被凝結(jié)在低溫表面上，達(dá)到抽除氣相分子的目的。h2容易爆炸，液即不可凝氣體被可凝氣體捕集的現(xiàn)象。通常CO2、H2O、SO2、N2、Ar、Ne等氣體首先成 霜于低溫表面形成吸附層，進(jìn)而吸附其他氣體，并降低其分壓強(qiáng)。因此低溫泵抽除混合氣體 的效果比單一氣體好。冷捕集過程包括兩個方面，1）裹挾性的共吸附，即當(dāng)可凝氣體流向低溫表面凝結(jié)時，把非 可凝性氣體也裹帶到低溫表面上，共同被吸附；2）可凝性氣體在低溫表面形成固態(tài)沉積層， 這是一種多孔性疏松的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，像多孔固體

2、吸附劑一樣，吸附一定的不可凝氣體，從而使 不可凝氣體的壓強(qiáng)降低，起到一定抽氣作用。3.低溫吸附低溫表面上的吸附劑吸附氣體的作用。由于吸附劑與氣體分子間的相互作用力很強(qiáng)，故可以 達(dá)到氣相壓強(qiáng)比冷表面溫度下其飽和蒸汽壓還低的水平。通常吸附劑選擇活性炭或分子篩。 低溫泵抽走的氣體不是直接排到泵外，而是吸附存儲在泵內(nèi)。二、典型結(jié)構(gòu)儲槽式液氦低溫（冷凝）泵液氦容器的底部平面是低溫抽氣表面。熱設(shè)計：1）液氦外是抽空雙層保溫壁；2）人字形擋板屏蔽外部熱輻射，同時由于和液氮容 器連接，具有接近液氮的溫度，能預(yù)先冷卻氣體，降低其與抽氣表面的溫度差；可凝氣體被 冷凝在它上面，不可凝氣體則被預(yù)冷，減小了對低溫冷量的

3、消耗；既能與氣體分子充分交換 能量，又具有較大的氣體通導(dǎo)能力；3）輻射屏固定在液氦容器頸管處，并被排出的氣體冷 卻，屏內(nèi)壁涂黑，外壁鍍銀，溫度小于30K，可減小液氦透過泵內(nèi)空間及雙層保溫壁進(jìn)入的 熱輻射。I I 一冷櫥面；2以哼形擋虬 3法蘭；4取必外套3 m一銅帶輯射屏* 7-液*液做關(guān)液氦消耗：1）被抽氣體與抽氣表面間的溫度差；2）被抽氣體凝結(jié)時放出的冷凝熱和吸附時 放出的吸附熱；3）液氮透過泵內(nèi)空間及雙層保溫壁而進(jìn)入的熱輻射；4）液氦容器材料的導(dǎo) 熱損失。考慮到減小液氦的消耗，一般由其他泵預(yù)抽到高真空或超高真空，再灌入液氮和液氦，開始 工作。其性能良好，極限真空度可達(dá)10-1010-ii

4、Pa，但使用中要消耗昂貴的液氦，運(yùn)行費(fèi)用 很高，實(shí)際中很少使用。閉路循環(huán)氣氦制冷機(jī)低溫（冷凝）泵的+何一狙冷板冷措板 / /WW 肆白肝戶真斐系統(tǒng)的y的+何一狙冷板冷措板 / /WW 肆白肝戶真斐系統(tǒng)的y體依耕（激Hil 第.廢衿灸的環(huán)句網(wǎng)機(jī)，冷酸吸甜站鼻圣利用氣體氦作為介質(zhì)，由一小型制冷機(jī)循環(huán)制冷，不消耗氦氣；有兩個冷壁，第一級冷壁 80K，用于冷凝H2O和CO2并預(yù)冷氣體氣體，同時冷卻百葉窗擋板和屏蔽外界輻射；第二 級冷壁1015K，冷凝N2、O2、Ar等，但是不能冷凝He、H2、Ne等，在內(nèi)壁上涂有活性 炭，對惰性氣體進(jìn)行低溫吸附。極限壓強(qiáng)約10-910-10Pa?？蓮膸浊灵_始抽氣，但

5、這樣會使泵的抽氣容量過早飽和，通常在前級泵抽至510Pa后再 啟動，以充分發(fā)揮其在高真空及超高真空下的性能。三、工作特性低溫泵抽氣模型左：T、p被抽容器溫度、氣體壓強(qiáng)右：！；、ps低溫泵冷壁溫度及此溫度下氣體的飽和蒸氣壓1.極限壓強(qiáng)分子流狀態(tài)下，氣體分子在單位面積上的碰撞頻度（單位時間碰撞的分子數(shù)）為1 _ pN = -nv = 4 2nmkT設(shè)黏附幾率為，則單位表面吸附分子的速率為設(shè)黏附幾率為，則單位表面吸附分子的速率為paN2paN22nmkTsNi如果凝聚的分子數(shù)超過單分子層而形成凝聚固態(tài)，則單位時間單位面積蒸發(fā)的分子數(shù)（蒸發(fā) 速率）為當(dāng)吸附速率和蒸發(fā)速率平衡時，N=N2，抽速為零，此時

6、的氣相壓強(qiáng)便是極限壓強(qiáng)Pu，1 rT =p V氣s Ts在低溫泵的溫度下，除了 He、H2、Ne，其他氣體的黏附幾率 = 1。如設(shè)T=300K，八=4.2K， 則=8.4ps在超高真空下，冷凝泵的極限壓強(qiáng)主要由被抽氣體的飽和蒸汽壓和被抽容器的表面放氣壓強(qiáng) 構(gòu)成。而低溫泵所用的材料大多數(shù)是不銹鋼，不銹鋼放出的主要是氫氣，因此增強(qiáng)低溫泵對 氫的抽除很有意義。降低低溫泵極限壓強(qiáng)的主要措施：1）降低冷面溫度7；和擋板溫度琮降低7；可降低被抽氣體的飽和蒸氣壓，降低琮可減少已凝結(jié)氣體的脫附。極限壓強(qiáng)與擋板溫 度及氣體飽和蒸氣壓的關(guān)系為pu = Ps + a（t2t2）式中，A一與輻射屏有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)擋板溫

7、度升高時，極限壓強(qiáng)升高，尤其當(dāng)擋板溫度高于90K后，情況更惡化。這是由于 擋板溫度上升，原來可凝結(jié)在擋板上的氣體量減少，不可凝氣體也不能得到很好的預(yù)冷，從 而把相當(dāng)大的熱量帶到冷區(qū)的冷壁上；此外，從擋板輻射到低溫板上的熱量增加，使已凝結(jié) 的H2大量脫附。于是，低溫冷凝泵的極限壓強(qiáng)就偏離了該冷凝板溫度下被冷凝氫的飽和蒸 氣壓，極限壓強(qiáng)升高。因此要降低極限壓強(qiáng)，必須降低擋板溫度。2）降低低溫抽氣前容器中不可凝氣體的分壓強(qiáng)低溫泵得到極限壓強(qiáng)后的主要?dú)堄鄽怏w成分是不可凝氣體，去除這些氣體的方法主要有（1）預(yù)抽法：在低溫泵啟動前，先用其他泵對容器進(jìn)行預(yù)抽，減小不可凝氣體分壓。預(yù)抽 真空度越高，泵的扃越低

8、。預(yù)抽可以減少冷量的消耗及冷面上凝結(jié)層量，從而提高泵的壽命。（2）沖洗法：如用20K下的低溫可凝氣體CO2、N2等沖洗被抽容器，經(jīng)幾次沖洗置換后， 可大大減少容器中原有的不可凝氣體，且分壓大大降低。低溫泵啟動后，可凝性氣體容易冷 凝，泵的P”降低。（3）提高吸附抽氣效率。選擇吸附效果好的吸附劑，增加對難冷凝氣體的吸附。選擇原則 是表面積大且熱傳導(dǎo)性好。（4）利用冷捕集效應(yīng)抽除不可凝氣體。2.抽速叵如(1-虹J 2nm 叵如(1-虹J 2nm cap、S = N1 - % 刀=(N - N)竺刀=n12 p(Nj-N2)：單位時間單位面積抽除的氣體分子數(shù)； 件鰻)：單位時間單位面積抽除的氣體 體

9、積。匚代入上式得 TskTSkTS = J%(1-1 _=4 vAac (1 將療= 14550七cm/代入，并令A(yù)=1cm2，得單位冷凍面積下得抽速為p TS0 = 3.64氣(1 -寸)rL/(s cm2)如令ac = 1，且工作壓強(qiáng)遠(yuǎn)高于極限壓強(qiáng)，即pg，則S0 = 3.64JL/(s cm2)對20C空氣，有S0S0 = 11.6L/(s cm2)最大理論比抽速，即打賞冷卻表面的氣相分子全部被表面凝聚清除。上圖是室溫下CO2在77K低溫冷面上凝結(jié)的典型抽速曲線。剛開始抽氣時，泵口壓強(qiáng)較高， 氣流量大于泵的低溫冷凝能力，而且由于氣體的熱傳導(dǎo)和對流傳熱效應(yīng)較強(qiáng)，冷凝層表面溫 度升高，吸附幾

10、率較低，并且非凝結(jié)性氣體在冷凝板附近堆積，對被抽氣體形成阻擋層，可 凝性氣體必須經(jīng)過碰撞才能通過阻擋層凝結(jié)在冷凝層板上，此時氣體分子在冷凝表面(或阻 擋層)上的反射數(shù)量較大，所以抽速較低。隨著壓強(qiáng)逐漸降低，冷壁溫度趨于穩(wěn)定，氣體分 子的反射量下降，被冷凝吸附的氣體分子數(shù)量逐漸上升，即抽速增加，直至達(dá)到某一最大(臨 界)值。此后，雖然隨著氣體壓強(qiáng)的降低，氣體反射量繼續(xù)降低，但因為吸附冷凝層中冷凝 的氣體重新蒸發(fā)的數(shù)量增加，且隨壓強(qiáng)下降單位時間內(nèi)碰撞到冷凝表面的氣體分子數(shù)量下降， 使得重新蒸發(fā)的氣體分子數(shù)量大于反射量減少的數(shù)量，所以抽速下降。低溫泵的抽速與冷表面的面積、粘有活性炭的吸附表面的幾何形

11、狀及位置有關(guān)，活性炭的顆 粒結(jié)構(gòu)、粘接材料及粘接工藝，也對抽速有不小影響。排氣容量低溫泵排氣容量，定義為當(dāng)泵的抽速下降為最大抽速80%時，泵內(nèi)吸附的總的氣體量。當(dāng)抽氣機(jī)理主要為低溫冷凝時，排氣容量由冷凝層厚度決定。冷凝層越厚，表面和底層的溫 度差越大，若要求的極限壓強(qiáng)高，則允許的溫差較高，排氣容量就越大；若要求的極限壓強(qiáng) 低，則允許的溫差就小，排氣容量就小。當(dāng)抽氣機(jī)理主要為低溫吸附時，如抽氫時，排氣量主要決定于活性炭的結(jié)構(gòu)、與冷表面的熱 接觸性能及吸氣后孔的堵塞情況。再生低溫泵工作一段時間達(dá)到排氣容量后，需要進(jìn)行再生，以清除冷壁上的低溫冷凝層，恢復(fù)泵 的抽速和極限壓強(qiáng)。步驟如下：1）停機(jī)，待泵中溫度恢復(fù)至常溫，使早先吸附的氣體脫附，并經(jīng)放氣閥排出。為加速這一 過程，可用加熱到一定溫度的氮?dú)饣驓鍤鈱Ρ脙?nèi)進(jìn)行沖刷。沖刷溫度應(yīng)低于80r，以防止 活性炭吸附劑上吸附的氣體分子轉(zhuǎn)化為化學(xué)吸附，否則吸附劑就會失效。2）冷凝層完全脫附后，用機(jī)械泵對冷凝泵進(jìn)行粗抽，一般抽至5Pa左右啟動冷凝泵