真空技術筆記

1、低溫（冷凝）泵一、工作原理1.低溫冷凝物質的飽和蒸汽壓隨溫度降低而降低，通過設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，被凝結在低溫表面上，達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，進而吸附其他氣體，并降低其分壓強。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，即當可凝氣體流向低溫表面凝結時，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晶結構，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，故可以 達到氣相壓強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。二、典型結構儲槽式液氦低溫（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，屏內壁涂黑，外壁鍍銀，溫度小于30K，可減小液氦透過泵內空間及雙層保溫壁進入的 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）被抽氣體凝結時放出的冷凝熱和吸附時 放出的吸附熱；3）液氮透過泵內空間及雙層保溫壁而進入的熱輻射；4）液氦容器材料的導 熱損失。考慮到減小液氦的消耗，一般由其他泵預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10-1010-ii

4、Pa，但使用中要消耗昂貴的液氦，運行費用 很高，實際中很少使用。閉路循環(huán)氣氦制冷機低溫（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)句網機，冷酸吸甜站鼻圣利用氣體氦作為介質，由一小型制冷機循環(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，在內壁上涂有活性 炭，對惰性氣體進行低溫吸附。極限壓強約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）為1 _ pN = -nv = 4 2nmkT設黏附幾率為，則單位表面吸附分子的速率為設黏附幾率為，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（蒸發(fā) 速率）為當吸附速率和蒸發(fā)速率平衡時，N=N2，抽速為零，此時

6、的氣相壓強便是極限壓強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T=300K，八=4.2K， 則=8.4ps在超高真空下，冷凝泵的極限壓強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 構成。而低溫泵所用的材料大多數是不銹鋼，不銹鋼放出的主要是氫氣，因此增強低溫泵對 氫的抽除很有意義。降低低溫泵極限壓強的主要措施：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氣體的脫附。極限壓強與擋板溫 度及氣體飽和蒸氣壓的關系為pu = Ps + a（t2t2）式中，A一與輻射屏有關的常數。當擋板溫

7、度升高時，極限壓強升高，尤其當擋板溫度高于90K后，情況更惡化。這是由于 擋板溫度上升，原來可凝結在擋板上的氣體量減少，不可凝氣體也不能得到很好的預冷，從 而把相當大的熱量帶到冷區(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 的H2大量脫附。于是，低溫冷凝泵的極限壓強就偏離了該冷凝板溫度下被冷凝氫的飽和蒸 氣壓，極限壓強升高。因此要降低極限壓強，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低溫泵得到極限壓強后的主要殘余氣體成分是不可凝氣體，去除這些氣體的方法主要有（1）預抽法：在低溫泵啟動前，先用其他泵對容器進行預抽，減小不可凝氣體分壓。預抽 真空度越高，泵的扃越低

8、。預抽可以減少冷量的消耗及冷面上凝結層量，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性好。（4）利用冷捕集效應抽除不可凝氣體。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； 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=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，且工作壓強遠高于極限壓強，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低溫冷面上凝結的典型抽速曲線。剛開始抽氣時，泵口壓強較高， 氣流量大于泵的低溫冷凝能力，而且由于氣體的熱傳導和對流傳熱效應較強，冷凝層表面溫 度升高，吸附幾

10、率較低，并且非凝結性氣體在冷凝板附近堆積，對被抽氣體形成阻擋層，可 凝性氣體必須經過碰撞才能通過阻擋層凝結在冷凝層板上，此時氣體分子在冷凝表面(或阻 擋層)上的反射數量較大，所以抽速較低。隨著壓強逐漸降低，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量逐漸上升，即抽速增加，直至達到某一最大(臨 界)值。此后，雖然隨著氣體壓強的降低，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)的數量增加，且隨壓強下降單位時間內碰撞到冷凝表面的氣體分子數量下降， 使得重新蒸發(fā)的氣體分子數量大于反射量減少的數量，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，活性炭的顆 粒結構、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，定義為當泵的抽速下降為最大抽速80%時，泵內吸附的總的氣體量。當抽氣機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，若要求的極限壓強高，則允許的溫差較高，排氣容量就越大；若要求的極限壓強 低，則允許的溫差就小，排氣容量就小。當抽氣機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構、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到排氣容量后，需要進行再生，以清除冷壁上的低溫冷凝層，恢復泵 的抽速和極限壓強。步驟如下：1）停機，待泵中溫度恢復至常溫，使早先吸附的氣體脫附，并經放氣閥排出。為加速這一 過程，可用加熱到一定溫度的氮氣或氬氣對泵內進行沖刷。沖刷溫度應低于80r，以防止 活性炭吸附劑上吸附的氣體分子轉化為化學吸附，否則吸附劑就會失效。2）冷凝層完全脫附后，用機械泵對冷凝泵進行粗抽，一般抽至5Pa左右啟動冷凝泵