低温真空泵原理与结构..doc

低温真空泵原理与结构 低温真空泵原理与结构 低温泵的结构 低温泵又叫低温真空泵、冷泵、冷凝泵。低温泵的冷源可以是低温液体(液氮或液氦)，也可以是低温制冷机。这里介绍制冷机型低温泵，这种低温泵的制冷机在两个温度级上产生制冷，分别冷却两个低温表面，被抽的气体就被冷却在低温表面上。 制冷机的一级通常工作在50K—70K范围，它用来冷却靠外的冷板，这个外部冷板既为更冷的冷板充当防辐射的屏蔽，同时又用来冷却挡在泵入口处的百叶窗(障板)，当水蒸汽碰到障板上时就被冷冻在它上面，这极像液氮冷阱冷冻水蒸气的情形。 制冷机的二级，即最冷的一级，通常工作在10K—20K之间，用来冷却靠内的冷板，它冷冻穿过百叶窗的N2、O2、Ar等气体。不能被这一温度冷冻的气体被位于冷板内部的活性炭吸附。 低温泵抽气机理之一：低温冷凝 上图表示低温泵把真空室内的压力降到极低水平的能力。它表示了低温沉积层上面平衡压力和低温沉积温度之间的关系。例如：水在760Torr压力下在373K沸腾。在273K的结冰温度上蒸汽压为4Torr。如果冰层被进一步冷却到150K，平衡蒸汽压将为4×10-8Torr。如果在制冷机一级温度上，压力将低于10-10托数量级。从这个图上我们也可看出，对N2来说，如果冷板温度小于等于20K，压力将小于10-10托。 低温泵抽气机理之二：低温吸附 单用低温冷凝是不够的，Ne、H2、He等气体在20K的平衡蒸汽压力太高了，不能被低温冷凝在光的表面上，因而，用活性炭来吸附这些气体。用活性炭作吸附材料是因为它有大的表面面积，也因为再生过程中它在室温下气体能很容易地脱附。吸附在活性炭上的氢的平衡压力决定于活性炭温度和已吸附的氢的量。随着吸附的氢的增加，吸附就变为在活性炭表面的冷凝。但冷凝层厚度增加时压力不变。活性炭抽氢能力很大，如果制冷机把1克活性炭保持在15K，它可以在10-6托吸住280SCC的氢。低温泵能够吸住气体的最大量(抽气容量)是指对特定的气体种类的抽吸能力，也就是低温泵被再生前抽除的气体的体积。 低温泵的抽气速度(抽速) 低温泵设计者一般对抽气速度最感兴趣，气体由于所具有的热能(等于动能)而流人真空泵，由此可得出如下关系式：气体进入泵开口的平均速度等于气体常数乘以温度，再除以2π乘气体分子量的平方根，这样低温泵的理想抽速就等于平均速度乘以气体可以流过的泵口面积。 由于多数真空系统工作在室温，我们设想理想速度基于室温。这样一种分子的速度仅仅由分子重量决定，较轻的气体具有较大的速度，氢的分子重量是2，通过每平方厘米开口面积上的抽速为44.6L/S。水分子量为18，理想抽速为14.9L/Scm2，而氮为这组中最重的为28，它的理想抽速为11.98L/Scm2。 如果所有碰到泵口迎面上的气体分子都冷冻在百叶窗上的话，就实现了理想抽速。事实上，水就达到了这一点，几乎所有碰到泵表面的水分子都粘在了百叶窗表面而不返弹回去。象N2这类气体必须穿过百叶窗冷冻在内部冷板上，一部分分子返弹回去，其余的部分穿过去冷冻在内部冷板上，为了有效阻挡辐射热到达内部冷板，低温泵有人口百叶窗，它允许大约40％～25％的空气分子(O2和N2)流过它冰冻结在冷板上。这样，对N2的净抽速是理想抽速的25％—40％或3.0—4.8L/Scm2，Ne、H2、He要走过更曲折的道路才能到达活性炭部位，结果只有约12％—20％的到达泵口表面的H2分子被低温吸附了，其余将弹回，所以H2的净抽速约为理想抽速的12％—20％或5.6—8.9L/Scm2。 低温泵的工作真空范围 低温泵典型的工作真空范围为1×10-3—1×10-11托。这一范围内气体是自由分子流区，这意味着它们通常从一个壁面运动到另一壁面而相互之间不发生碰撞。在这一区域抽速是常数。随着抽气压力增加进人到大于1×10-3托的转变区，抽速增加了，与扩散泵相比，低温泵具有在这一区域内抽速增大的特性，而扩散泵的抽速减少。 低温泵的抽气能力(抽气容量) 低温泵能够聚集大量的固态水、空气、氩、氮和氧，然后再蒸发除霜。在这些霜层形成时，泵的抽速很少降低，制冷温度变化也很少，随着霜层增加到一定程度，抽速和温度都会有明显变化。水被聚集在障板上直到堵掉一半的障板面积(例如：一个φ200口径的低温泵可凝聚300克水蒸气成冰)。固体氮和氩聚集在低温板的外层达几个厘米，通常这个厚度仅受到不能挨到辐射屏的限制。(例如：一个φ200口径的泵在低温板外凝聚1cm厚的空气或氩，其量为1200标准升。该泵专门用于溅射台，其低温板较大。另一种同样口径的泵该值仅为350标准升)。能吸收氢的量为对氢抽速减少50％时所聚集的氢平衡压力(一段选l×10-6托)决定，当抽除其它气体使低温板温度升高时，能吸附氢的量就减少。 抽气容量是指低温泵能抽除(存留)某种特定气体的