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低溫真空泵原理與結構
2005-11-02  閱讀

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       低溫真空泵原理與結構 低溫泵的結構 低溫泵又叫低溫真空泵、冷泵、冷凝泵。低溫泵的冷源可以是低溫液體(液氮或液氦)，也可以是低溫制冷機。這里介紹制冷機型低溫泵，這種低溫泵的制冷機在兩個溫度級上產生制冷，分別冷卻兩個低溫表面，被抽的氣體就被冷卻在低溫表面上。 制冷機的一級通常工作在50K—70K范圍，它用來冷卻靠外的冷板，這個外部冷板既為更冷的冷板充當防輻射的屏蔽，同時又用來冷卻擋在泵入口處的百葉窗(障板)，當水蒸汽碰到障板上時就被冷凍在它上面，這極像液氮冷阱冷凍水蒸氣的情形。 制冷機的二級，即z*冷的一級，通常工作在10K—20K之間，用來冷卻靠內的冷板，它冷凍穿過百葉窗的N2、O2、Ar等氣體。不能被這一溫度冷凍的氣體被位于冷板內部的活性炭吸附。
 
       低溫泵抽氣機理之一：低溫冷凝 上圖表示低溫泵把真空室內的壓力降到極低水平的能力。它表示了低溫沉積層上面平衡壓力和低溫沉積溫度之間的關系。例如：水在760Torr壓力下在373K沸騰。在273K的結冰溫度上蒸汽壓為4Torr。如果冰層被進一步冷卻到150K，平衡蒸汽壓將為4×10-8Torr。如果在制冷機一級溫度上，壓力將低于10-10托數量級。從這個圖上我們也可看出，對N2來說，如果冷板溫度小于等于20K，壓力將小于10-10托。 

       低溫泵抽氣機理之二：低溫吸附 單用低溫冷凝是不夠的，Ne、H2、He等氣體在20K的平衡蒸汽壓力太高了，不能被低溫冷凝在光的表面上，因而，用活性炭來吸附這些氣體。用活性炭作吸附材料是因為它有大的表面面積，也因為再生過程中它在室溫下氣體能很容易地脫附。吸附在活性炭上的氫的平衡壓力決定于活性炭溫度和已吸附的氫的量。隨著吸附的氫的增加，吸附就變為在活性炭表面的冷凝。但冷凝層厚度增加時壓力不變。活性炭抽氫能力很大，如果制冷機把1克活性炭保持在15K，它可以在10-6托吸住280SCC的氫。低溫泵能夠吸住氣體的z*大量(抽氣容量)是指對特定的氣體種類的抽吸能力，也就是低溫泵被再生前抽除的氣體的體積。

       低溫泵的抽氣速度(抽速) 低溫泵設計者一般對抽氣速度z*感興趣，氣體由于所具有的熱能(等于動能)而流人真空泵，由此可得出如下關系式：氣體進入泵開口的平均速度等于氣體常數乘以溫度，再除以2π乘氣體分子量的平方根，這樣低溫泵的理想抽速就等于平均速度乘以氣體可以流過的泵口面積。 由于多數真空系統工作在室溫，我們設想理想速度基于室溫。這樣一種分子的速度僅僅由分子重量決定，較輕的氣體具有較大的速度，氫的分子重量是2，通過每平方厘米開口面積上的抽速為44.6L/S。水分子量為18，理想抽速為14.9L/Scm2，而氮為這組中z*重的為28，它的理想抽速為11.98L/Scm2。 如果所有碰到泵口迎面上的氣體分子都冷凍在百葉窗上的話，就實現了理想抽速。事實上，水就達到了這一點，幾乎所有碰到泵表面的水分子都粘在了百葉窗表面而不返彈回去。象N2這類氣體必須穿過百葉窗冷凍在內部冷板上，一部分分子返彈回去，其余的部分穿過去冷凍在內部冷板上，為了有效阻擋輻射熱到達內部冷板，低溫泵有人口百葉窗，它允許大約40％～25％的空氣分子(O2和N2)流過它冰凍結在冷板上。這樣，對N2的凈抽速是理想抽速的25％—40％或3.0—4.8L/Scm2，Ne、H2、He要走過更曲折的道路才能到達活性炭部位，結果只有約12％—20％的到達泵口表面的H2分子被低溫吸附了，其余將彈回，所以H2的凈抽速約為理想抽速的12％—20％或5.6—8.9L/Scm2。

       低溫泵的工作真空范圍 低溫泵典型的工作真空范圍為1×10-3—1×10-11托。這一范圍內氣體是自由分子流區，這意味著它們通常從一個壁面運動到另一壁面而相互之間不發生碰撞。在這一區域抽速是常數。隨著抽氣壓力增加進人到大于1×10-3托的轉變區，抽速增加了，與擴散泵相比，低溫泵具有在這一區域內抽速增大的特性，而擴散泵的抽速減少。 

       低溫泵的抽氣能力(抽氣容量) 低溫泵能夠聚集大量的固態水、空氣、氬、氮和氧，然后再蒸發除霜。在這些霜層形成時，泵的抽速很少降低，制冷溫度變化也很少，隨著霜層增加到一定程度，抽速和溫度都會有明顯變化。水被聚集在障板上直到堵掉一半的障板面積(例如：一個φ200口徑的低溫泵可凝聚300克水蒸氣成冰)。固體氮和氬聚集在低溫板的外層達幾個厘米，通常這個厚度僅受到不能挨到輻射屏的限制。(例如：一個φ200口徑的泵在低溫板外凝聚1cm厚的空氣或氬，其量為1200標準升。該泵專門用于濺射臺，其低溫板較大。另一種同樣口徑的泵該值僅為350標準升)。能吸收氫的量為對氫抽速減少50％時所聚集的氫平衡壓力(一段選l×10-6托)決定，當抽除其它氣體使低溫板溫度升高時，能吸附氫的量就減少。 抽氣容量是指低溫泵能抽除(存留)某種特定氣體的z*大量，單位為托·升，mbar·L或者std·L。抽氣容量由以下因素決定： 1)障板抽水蒸氣達到了覆蓋一半流通面積； 2)冷板外面凝聚的氮、氬等厚度太大； 3)吸附陣接近飽和。 在這三個因素中，往往是吸附z*先達到飽和，因為與冷凝相比，吸附的量要小于冷凝的量。所以抽氣容量主要由吸附決定(主要因素是吸附劑的性能和數量)。 通常抽氣容量是指抽速降到初始抽速的一半時抽出的氣體的量，這時低溫泵需要再生了，實際中常常是真空度不夠好和制冷溫度超過20K時進行再生。

       低溫泵中制冷機的熱負荷 用在低溫泵上的制冷機在沒有施加熱負荷時，二級z*低溫度約10K，一級z*低溫度35K。隨著施加的熱負荷增加，每一級上的溫度增大。例如給某制冷機加9W的熱負荷將使冷頭溫度達20K，一級上加17W的熱負荷使其溫度達77K。我們把低溫冷板標稱溫度定為在正常工作時二級溫度約12K，一級溫度約60K—65K。這樣就對未預先考慮到的來自真空室的熱負荷或由于大的氣體流速下增加的熱負荷留有一定的余量。上述制冷機冷量分別為5W/12K和12W/60K。 冷板的熱負荷來自以下三個方面：
       1．從真空室來的熱輻射； 
       2．由于氣體從室溫下被冷卻并被在低溫下冷凍所放出的冷凝熱；
       3．腔內殊余氣體的導熱。 空氣的導熱系數(大于1托壓力時基本上是常數)在壓力減少到1托以下時減少得很快。在壓力低于1×10-3托(這個區域氣體處于分子流區)，由于導熱引起的傳熱通常可以忽略。在低溫領域中，它被稱為絕熱真空。對比一下這時的導熱性能與通用的熱偶真空計，它的工作原理是從1×10-3托至l托范圍內的熱傳導系數的變化為基礎的。 輻射熱是低溫泵的主要熱負荷，對要承受輻射熱的低溫泵有兩點要求：
       第一，盡可能多的反射來自真空室的輻射熱；
       第二，低溫泵應該能吸收難以反射掉的輻射熱。一些很潔凈的電拋光真空室對低溫泵輻射熱極小，但多數情況是真空室壁面上吸附了水蒸汽后輻射熱量幾乎與黑體輻射相等。 由于輻射熱是溫度的4次方的函數。如果在真空室有對低溫泵產生輻射的高溫熱源，就容易地使低溫泵熱負荷過大，因而，用水冷擋板來把真空室中的高溫熱源與低溫泵屏蔽開。低溫泵冷板應該拋光良好，在降溫過程中就能反射輻射熱，但是，一旦薄的水層凝結在低溫表面，就會使表面變成吸收熱輻射的熱學黑體表面。 在低溫泵中由于氣體冷凝所產生的熱負荷通常很小，但有一個例外的情況是當低溫泵用于在濺射臺中抽氬時。冷凝氬產生的熱負荷大多數由制冷機二級承擔。冷凝1托·升/秒的氬大約需0.7W冷量。制冷機二級溫度隨著氬流量的增大而上升。由于通常需要同時把氫保持在活性炭上，低溫泵的流量設定應以低溫板溫度不大于20K為標準(這時的流量為z*大流量)。一般在設定流量時的壓力為1×10-3托，如果在濺射鍍膜工藝需要更高的氬氣壓力，那么就需要在低溫泵前安裝一個節流閥來把工作壓力減少到使進入泵口時壓力為1×10-3托。

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