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[低温泵入门 1 ]
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