低温泵的工作原理及构造

1.何谓低温泵？
低温泵是通过在真空容器内形成极低温面，把容器内的气体分子冷凝、吸附在此低温面上将其从真空环境中除去的泵。被冷凝气体的饱和蒸气压和被吸附气体的吸附平衡压降至10^-8Ｐａ以下时低温泵才能有效进行抽气。图１所示为各种气体的蒸气压。从图中可看出，蒸气压低于氮气的气体在极低温面（低温面或低温冷凝板）的温度低于２０Ｋ时，其蒸气压会降至10^-8Ｐａ以下。但像氢、氦、氖蒸气压高的气体分子在２０Ｋ则不能通过冷凝作用排出，只能被降至２０Ｋ以下的低温吸附剂吸附而排出。由此可以看出，低温泵可对所有气体进行排出，即可获得洁净超高真空环境。

图１ 各种气体的蒸气压

根据冷却方式，可分为两类，一是以液氮（ＬＮ２,７７Ｋ）或液氦（ＬＨｅ，４.２Ｋ）为冷媒（贮液式低温泵），二是以小型氦气低温制冷机来冷却。使用小型氦气制冷机的低温泵，无需像贮液式低温泵一样需要定期提供冷媒。故既可在操作上轻易获得洁净的超高真空，又可长时间稳定连续运转。

2.低温泵的工作原理及构造
有关低温泵的构造以ＣＲＹＯ－Ｕ８Ｈ为例进行说明。低温泵内使用的制冷机为2段式制冷机。1段冷冻能力大，可冷却至８０Ｋ以下。2段虽然冷冻能力小，但也可冷却至１０～１２Ｋ。１５Ｋ低温冷凝板(１)（冷凝板）和１５Ｋ低温冷凝板(２)（吸附板）设置在2段上，并受安装在1段上的８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ挡板保护，避开来自室温的放射（辐射）热。

图２　ＣＲＹＯ－Ｕ®８Ｈ构造

低温泵可排放以下气体(1)～(3)。

(1)空气(N2、O2)			：对真空装置进行粗抽真空后的残留气体
(2)放出气体	1	H2O	：被吸附在真空容器壁面（真空装置中存在的主成分）玻璃、塑料、陶瓷的放出气体主成分
	2	H2	：从真空容器的金属壁扩散放出（超高、极超高真空中的问题）高温，溶解金属（Ａl）的放出气体（镀膜，溅射）
	3	CO、CO2、 CH4、CnHm	：真空装置壁内的污染
(3)导入气体	4	Ar	：溅射装置
	5	H2	：离子注入
	6	O2	：氧化物
	7	其他

从蒸气压表中可看出，低温面的温度降至１３０Ｋ以下时，其蒸气压低于10^-8Pa，因此水蒸气（H₂O）可凝结在冷却至８０Ｋ以下的８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ挡板上排出。氮（N₂）、氧（O₂）、氩（Ａｒ）等气体，因在８０Ｋ温度下其蒸气压高，不能凝结在８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ挡板上，将会凝结在冷却至20Ｋ以下的15Ｋ冷凝板上排出。

像氦（Ｈｅ）、氢（H₂）、氖（Ｎｅ）蒸气压极高的气体分子在10～20Ｋ下则不能以冷凝作用排出，只能被涂在15Ｋ冷凝板(1)（冷凝板）内侧的低温吸附剂吸附排出。为防止吸附剂表面被冷凝性气体盖住，将把15Ｋ冷凝板(2)（吸附板）设置在冷凝性气体不易进入的冷凝板的内侧。
对８０Ｋ屏蔽筒、８０Ｋ挡板、１５Ｋ冷凝板(1)的外表面进行抛光处理是为了让来自室温的辐射热反射回去。对８０Ｋ屏蔽筒的内面进行黑化处理是为了防止来自室温的辐射热在８０Ｋ屏蔽筒内面经反射后又入射到１５Ｋ冷凝板上。为了保证低温泵的正常运转，８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ挡板的温度应低于１３０Ｋ，且１５Ｋ冷凝板的温度应低于２０Ｋ。

在８０Ｋ屏蔽筒上安装Ｋ(ＣＡ)热电偶，在１５Ｋ冷凝板上安装氢蒸气压温度计(H₂ＶＰ)或低温热电偶温度计ＭＢＳ型，以此来测量各部位温度。Ｋ(ＣＡ)热电偶在１３０Ｋ下的标准起动电压为－５.５ｍＶ）

3.低温泵的再生与安全阀
低温泵不像油扩散泵或涡轮分子泵，把被抽气体压缩后排放于泵外。因是通过冷凝吸附被捕集的气体贮蓄在低温泵内，故要求定期把泵内气体向外放出，即进行再生。所谓再生就是通过把低温泵的温度升至室温，把泵内冷凝、吸附的气体恢复至气体状态后排出的过程。泵内贮蓄气体量多或泵内成密封状态的情况下进行再生时，泵内成高压状态，非常危险，因此低温泵上附有安全阀。安全阀的开启压力设定为２０ｋＰa(表压)。安全阀是为安全而设置的，绝对不可堵住安全阀或作为其他用途来使用。也不能作为再生时的放气阀门来使用。安全阀动作时，放出气体中的灰尘、污垢等，将会附着于安全阀座上，从而导致泄漏现象发生。

像氢、氦、氖蒸气压高的气体分子在２０Ｋ则不能以冷凝作用排出，只能被降至２０Ｋ以下的低温吸附剂吸附而排出。

4.低温泵系统
低温泵系统基本上由

《1》低温泵组（包括制冷机组）
《2》压缩机装置
《3》金属软管（2条）

构成，并如图3所示连接。
此外低温泵起动（因低温泵
不能从大气压下起动）和再生时
需要粗抽泵。（由客户准备）

图３　低温泵系统