低温真空泵特点及原理

什么是低温泵？

北方的冬天，在玻璃窗上常结一层霜，这就是低温抽气作用。水蒸汽凝结在0oC以下的玻璃表面上，使空气中水蒸汽的分压强降低了，达到了抽除水蒸汽的目的。同理，如果设法使某一固体表面温度足够低，使其低于空气中主要气体成分的饱和蒸汽压温度，空气中大部份气体被凝结，达到了抽真空的目的。按这种原理抽真空的泵叫低温冷凝泵。低温泵要求温度控制在4-25K范围内。（在更低温度下效果会更好，但实际上主要由于原因, 大约4-25K温度就足够了） 

低温泵的：

在很多问题和工业加工方面，要求极清洁的、无碳氢化合物的真空，低温泵可达到极清洁的真空环境。

低温泵的较高比抽速，适合要求限定空间内具有很高抽速的情况。

低温泵的主要机理：

低温泵为产生真空提供直接的方法，气体分子到达冷却表面上, 凝固在那里, 因此从贮存气体的容器中被掉。在很低的温度下, 用这种方法能够将气体掉, 这样从理论上看, 可以获得理想的真空。

图1为若干气体的饱和蒸汽压曲线，它表明在20K时的气体都冷凝,，因此在任何实际工作中,，由于冷凝物的蒸汽压太低而不太重要了，正如所看到的那样, 在20K时氦, 氢和氖具有相当高的蒸汽压, 但是使温度降低到4.2K(液氦的沸点)时,氖的蒸汽压降到可以忽略不计的数值, 而在这个温度下氢的压强仍然为10-6mbar左右,，氦的压强也很高。因此除了这两种气体之外, 其它的气体在上述温度范围内都能利用低温冷凝方法, 而蒸汽压太低没有多大意义。

图2用示意图表明气体分子的低温冷凝，这个过程是在预先被相同性质的分子或原子覆盖的基板上气体分子或原子的物理粘结。结果是在结合能等于升华能时由气体相向冷凝(固体) 相过渡。

在低温泵操作过程中， 该泵需要还原之前，, 固体冷凝物的厚度可能高达10mm，。在这个意义上的是低温泵加热的过程, 或者至少是使冷凝表面加热的过程, 以便冷凝物蒸发释放。以后该泵必须重新冷却。

为了氦气和氢气, 必须采用低温吸附。附图3示意说明低温吸附过程。这是在清洁的, 异质基体上(固体材料或冷凝物) 气体分子和原子的物理结合, 例如H2和He在活性碳或沸石上。结合能等于比蒸发热大得多的吸附热。

图4中示出以活性碳为吸附材料的温度为函数的H2和He的低温吸附平衡蒸汽压曲线，这些曲线明显低于前面的相应蒸汽压曲线。结果甚至在15K时, 这些气体也能被充分凝固, 因此被吸附掉。但是必须注意表面大小相同的情况出的气体量远远低于用冷凝抽出的气体量。因而必须在较短时间间隔进行。总结一下人们获得的结果, 为了地抽出气体, 低温泵必须安装所谓的低温冷凝和低温吸附表面。在这种情况下,大约12K的温度足以获得真空范围的气体压力。

吸附剂有三种类型：1)非金属吸附剂泵：以活性炭、分子筛等为吸附剂。2)金属吸附剂泵：以蒸发或升华在冷面上的钛、钽、铝等金属或其合金为吸气剂。3)气体霜也有类似吸附剂一样的吸气作用，象二氧化碳、水蒸汽等易冷凝的气体，在低温表面上凝结的同时，将不易冷淀的气体(如氦)也一起埋葬或吸附抽除。

产生低于饱和蒸汽压的气体压强的另一种方法是利用低温捕集机理。如图5所示,低温捕集或共同冷凝, 是利用连续生长的、容易冷凝的载流气体的冷凝物中埋葬不容易冷凝的气体分子或原子的物理粘结，例如Ar中的H2 。为达到此目的, 将容易冷凝的载流气体连续通到低温泵里, 并且在给定温度下捕集蒸汽压较高的其它气体(共同冷凝)。当然冷凝表面的温度应使载流气体冷凝物的蒸汽压小到可以忽略不计，图6示出作为载流体Ar和被埋葬气体H2的情况。该曲线表明Ar- H2共同冷凝物的H2分压比相同温度下(右边后一边线)**2冷凝物的平衡压强低几个数量级。共凝机理的详细情况的研究表明, 在Ar中埋葬H2时, 抽一个H2分子大约需要30个氩原子。因此虽然理论上是可行的, 但是低温捕集看起来相当不, 如果说所考虑的是用于实际低温工作, 倒不如说主要在于研究方面。

低温泵的主要部件

4.2-20K的一个或多个冷表面

通常温度为60-80K 的热屏蔽( 辐射屏蔽/人字障板) 部分(包围冷表面)

连接在辐射屏蔽上的挡板

冷却装置

室温泵壳

低温泵的性能参数

1）对气体的抽速(容积流率) 

低温冷凝泵的理论抽速：

低温冷凝泵的实际抽速：
    从(7)式可见，大理论抽速与容器中的压强和冷面温度无关，这是不可能的。实际上对低温冷凝泵来说，当被冷凝泵抽除的气体压强等于冷凝物在低温表面温度下的平衡压强时，冷凝泵就失去了抽气能力，抽速为零。因此，泵的实际抽小于理论抽速。
    (1)被抽气体压强和冷面温度对抽速的影响：
        
式中Pg为被抽气体压强(Pa)；Ps为在冷面温度下，被抽气体的蒸汽压强(Pa)；Ts为冷面温度(K)。

  (2)凝结系数对冷凝泵抽速的影响：
        Sa= a·Spt    (9)
式中 a是凝结系数，其值受很多因素影响。一般由实验确定。例如300K的H2O，打在77K冷面上a=0.92；He打在4.2K5A分子筛上a=0.7；H2打在4.2K铜板上a=0.5～0.75等等。
    (3)屏蔽通导对抽速的影响：低温泵为减少低温介质消耗，减轻低温板的热负荷，往往在低温板周围加上辐射屏，这时低温泵的抽速要受到辐射屏流导的影响。
    1/Su = 1/Sa + 1/u    (10)
式中Su为考虑辐射屏后低温泵的抽速(L／s);u为辐射屏的通导(L／s)；Sa为无辐射屏低温板的实际抽速(L／s)。
    (4)凝结层对冷凝泵抽速的影响：冷凝泵在工作一段时间以后，低温表面上将凝结一定厚度的固态气体层。对冷凝泵的抽速有一定影响。其影响主要取决于冷凝层的性质，也就是取决于冷凝层的结构和类型。冷凝层的导热率是冷凝层的类型和结构的复杂函数。如果沉积速率低，冷凝层可以有一个玻璃状外表，凝结层热传导好，对抽速无影响；如果沉积速率高，冷凝层出现类似雪花状结构，热传导不好，会降低抽速，但对捕集非凝结性气体是有利的。
    2)低温冷凝泵的极限压强
    达到极限压强时，泵的抽速为零。从(8)式可得：

式中Pg为极限压强(Pa)；Tg为被抽气体温度(K)；Ts为冷凝面温度(K)；Ps为冷凝物上的蒸汽压(Pa)，其值随温度而变化。

低温泵的极限真空度可达l0-3Pa。
    3)低温泵的降温时间：降温时间是闭循环小型制冷机低温泵的主要指标之一。降温时间与水平有关，还要考性。目前的产品中，小型泵的降温时间一般不过90min，大型泵不过180min。
    4)低温泵的工作寿命：
    (1)寿命：泵使用到必须加热的时间。
        式中D = ρK (Ts - Tw)；A为冷凝面面积cm2；K`为凝结热J／g；m为凝结量g／s；ρ为凝结物密度g／cm3；Ts为凝结层外表面温度(K)；Tw为冷凝面温度(K)；K为凝结物的热传导率(W／cm·K)。

 (2)贮槽式泵的装填寿命：充装一次制冷制所能工作的时间。
        t = V / Qv    (13)

式中V是装冷剂的容积L；Qv为单位时间制冷剂的耗量L／s。
    (3)吸附泵的工作寿命：吸附板两次活化()所间隔的时间。
        tmax = Vm /SP    (14)

式中V为吸附容量，可根据吸附等温线确定(Pa·L／kg)；m为吸附剂质量(kg)；S为抽速(L／s)；P为泵入口压强(Pa)。

低温吸附泵工作所需要的预真空应达到 10-1 Pa 以下，以减少泵的热负荷并避免在泵体内 积聚过厚的气体冷凝产物。

按供低温介质的方式分类，又可分为贮槽式、连续流动式和闭循环小型制冷机低温泵。

贮槽式低温冷凝泵的结构

容器内装有常压和4.2K的液氦

容器的外壁是冷凝气体的冷凝表面

辐射屏蔽通常用液氮冷却,防止来自室温泵壳对冷凝表面的红外线的辐射

挡板:保护冷凝表面免受真空容器产生的辐射;冷凝水蒸汽;传导气体达到冷凝表面。

闭循环小型制冷机低温泵

它由低温泵、压缩机和膨胀机等部份组成。制冷介质氦气由压缩机压缩，经进气管到膨胀机。这时进气阀门打开，膨胀机活塞在电机带动下向上运动，使膨胀机下腔充满高压气体。当活塞到达上部时，关闭进气阀，同时打开排气阀，使膨胀机与低压端相通，气体膨胀制冷，活塞向下移动把冷量贮存在活塞内的蓄冷器中。如此多次循环，便在一、二级冷头处分别获得低于80K和20K的低温和所需的制冷功率，并使气体在低温面上凝结，在活性炭上吸附而被抽除。

冷阵中的挡板和屏蔽屏用于阻挡来自泵壁和真空室的热辐射，保护二级冷阵免受室温热辐射的直接照射，以减小制冷功率损耗，维持泵的正常工作；同时，它还具有抽除H2O、C02等大多数碳氢化台物及其高凝结点气体功能：另外还预冷冷阵不能抽除的其它气体。

二级冷阵的外表面是冷凝抽气，用于抽除N2、O2和Ar时等可凝性气体，而对He、Ne、H2等非凝性气体进行预冷；

粘贴活性炭的内侧主要以低温吸附抽除He、Ne、H2。

该泵在抽混合气体时(如空气)，还会发生低温捕集抽气作用，即可凝性气体在一、二级低温表面冷凝后形成的固态多晶霜层，它对非凝性气体具有相当的捕集抽气功能。

方式

从原理上讲，低温泵捕集的气体可以以固态、气态或液态方式除去，由于以固态方式除去冷凝物存在很多难题，目前商品低温泵采用的都是后两种方式。根据加热方式的不同，方式一般分为：自然加热、气体冲洗、电加热三类。

　　自然加热是简单的低温泵方法，它是利用泵壁与周围空气的热交换来使泵升温的，在刚开始时，由于泵内真空度较高，因此主要是依靠泵壁的热辐射和泵内的热传导使冷板逐渐升温，这个升温过程相当缓慢。当压强升高到10-1～10Pa范围后，对流换热才开始起比较大的作用。自然加热需要的时间很长，一般需十几个小时。由于自然加热一般利用过压保护阀排气，在这种情况下，如果泵能够和其环境达到平衡，那么泵内融化的冰水会留在底板上，而且室温下活性炭将吸附高分压的水蒸气，因而泵在使用过程中需要进行长时间的初抽，而且泵的极限压强也会受到影响［3］。自然加热一般只用于一些对泵性能要求不高的场合。

　　气体冲洗是使用很普遍的一种方法，它利用冲入泵内的室温或加热的干燥的惰性气体(N2或Ar)对泵进行加热，它有恒压法和脉冲冲洗法两种形式。因为能够进行的热交换，所以可以缩短时间，而且气体冲洗有利于水蒸气从活性炭中脱附出来，的质量也提高了，另外它还能稀释那些有毒和爆炸性的气体。

　　电加热是一种的方法，目前有两种不同的加热方式，一种是利用加热带裹在泵壁外表进行加热，另一种是利用泵内冷头上的加热板进行加热。由于低温泵的部分元件不能承受高温，因而需要对加热过程进行控制。采用加热带加热方式时，可以选用自限温型的加热带(这种加热带由PTC发热元件制成)，也可以由仪表进行控制。采用铑铁电阻温度传感器做二极冷头温度测量的低温泵可以利用这个传感器对加热带进行控制，但是由于这种情况下所测量的温度值不能准确反映泵壁处的温度，因此需要采取一些措施来避免过温现象的发生。另外采用一些具有逻辑输出的温度监视器件(如MAXIAM公司的MAX6501等)也可以很的对加热带进行限温控制。加热带使用很方便，而且这种方式所需的时间要比自然加热要短一些，效果也有了提高，但单独采用加热带对低温泵时，时间仍比较长，而且如果采用过压阀进行排气，也存在和自然加热方式中类似的问题。采用加热带加热和气体冲洗配合使用能够比单独采用气体冲洗缩短很多时间。由于使用加热带无需对泵原有的结构进行任何改动，因此可以的用于对一些旧泵的改造，以提高其使用效率。采用加热板进行加热是一种很的方式。一般低温泵的两级冷头上各有一个加热板，两个加热板是独立的，加热板与冷头是紧密接触的，因而能够通过热传导直接对冷板加热，只需很短的升温时间，采用这种方式需要对两个冷头的温度进行测量，并根据测温结果对两个加热板的功率进行调节，由于加热板的功率较小，其热惯性也比较小，可以采用开关式控制方法。考虑到问题，加热板一般采用的低压交流电(24VAC)供电。为了获得较好的质量，加热过程中要配合进行粗抽。

　　近年来，在电加热的基础上又发展了一种新，它能够在冷头的温度波动很小的情况下，二级冷头上的冷凝物。它是应用于二级冷头饱和而冷头远没饱和的情况。由于冷头升温和降温的幅度较小，因而与相比能够进一步的缩短时间，提高制冷机低温泵的使用效率［2，4］。

采用加热板进行加热的方式时，系统的结构要复杂一些，这种情况下使用一个嵌入微控制器的为小型制冷机低温泵系统设计的仪器进行控制会很方便。__ 3　起始和结束的判断方法

的起始条件因低温泵应用场合而异，对连续抽气过程来说，一般只要满足下面两个条件中的一个，低温泵就需要：(1)低温泵在无其他附加热负荷时，二级冷头温度过20K或冷头温度过130K；(2)高真空阀门关闭5min后泵内压强在1×10-4Pa以上。

　　而对一些间断抽气过程来说，由于高真空阀门开启时，冷头温度必定产生波动而且冷头温度的恢复时间(Recovery Time)与预吸附的气体的量、低温泵的大吸入气体量(Crossover)等有密切关系，因此在这些情况下还需要根据实际情况下允许的波动时间确定条件。

　　对非自动的低温泵系统来说，低温泵生产商一般提供了一个的参考时间，但由于实际情况的差异，还是要求操作者有一定的实际经验来判断是否可以结束，而一些自动化程度较高的低温泵系统可以自动进行判断。一般是在进行到某一阶段后，将低温泵粗抽到某一合适的压强值，关闭粗抽阀，测量压强上升的速率并与控制器内存储的经验值进行对比，如果不满足条件，则需要继续对低温泵进行加热［6］。这一过程也可以采用一定时间之后的压强值来判断。考虑到真空状态下对放气测量的精度要求和时间较短的要求，在1Pa左右进行测试是比较合适的［7］。对采用加热带加热的方式，由于对泵抽空后加热效果不佳，因此进行判断的开始时间，两次判断的间隔时间需要根据实际情况进行确定，采用泵内加热板加热时无需考虑这两个问题。