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1、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，但实际上主要由于经济原因,大约4-25K温度就足够了) 低温泵的优点： 在很多科研问题和工业加工方面，要求极清洁
2、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各种情况。 低温泵的主要机理： 低温泵为产生真空提供最直接的方法，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清除掉。在很低的温度下,用这种方法能够将气体完全清除掉,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时几乎所有的气体都冷凝,，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
3、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,其它所有的气体在上述温度范围内都能利用低温冷凝方法清除,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
4、可能高达10mm，。在这个意义上的再生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。 为了清除氦气和氢气,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
5、此被吸附清除掉。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再生。总结一下人们获得的结果,为了有效地抽出各种气体,各种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的温度足以获得超高真空范围的各种气体压力。 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
6、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
7、凝物的H2分压比相同温度下(右边最后一边线)纯H2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经济,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
8、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，最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，泵的实际抽永远小于理论抽速。 (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
