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低溫真空泵原理與結(jié)構(gòu)

2005-11-02 閱讀

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       低溫真空泵原理與結(jié)構(gòu) 低溫泵的結(jié)構(gòu) 低溫泵又叫低溫真空泵、冷泵、冷凝泵。低溫泵的冷源可以是低溫液體(液氮或液氦)，也可以是低溫制冷機(jī)。這里介紹制冷機(jī)型低溫泵，這種低溫泵的制冷機(jī)在兩個(gè)溫度級(jí)上產(chǎn)生制冷，分別冷卻兩個(gè)低溫表面，被抽的氣體就被冷卻在低溫表面上。制冷機(jī)的一級(jí)通常工作在50K—70K范圍，它用來冷卻靠外的冷板，這個(gè)外部冷板既為更冷的冷板充當(dāng)防輻射的屏蔽，同時(shí)又用來冷卻擋在泵入口處的百葉窗(障板)，當(dāng)水蒸汽碰到障板上時(shí)就被冷凍在它上面，這極像液氮冷阱冷凍水蒸氣的情形。制冷機(jī)的二級(jí)，即z*冷的一級(jí)，通常工作在10K—20K之間，用來冷卻靠?jī)?nèi)的冷板，它冷凍穿過百葉窗的N₂、O₂、Ar等氣體。不能被這一溫度冷凍的氣體被位于冷板內(nèi)部的活性炭吸附。

       低溫泵抽氣機(jī)理之一：低溫冷凝 上圖表示低溫泵把真空室內(nèi)的壓力降到極低水平的能力。它表示了低溫沉積層上面平衡壓力和低溫沉積溫度之間的關(guān)系。例如：水在760Torr壓力下在373K沸騰。在273K的結(jié)冰溫度上蒸汽壓為4Torr。如果冰層被進(jìn)一步冷卻到150K，平衡蒸汽壓將為4×10^-8Torr。如果在制冷機(jī)一級(jí)溫度上，壓力將低于10^-10托數(shù)量級(jí)。從這個(gè)圖上我們也可看出，對(duì)N₂來說，如果冷板溫度小于等于20K，壓力將小于10^-10托。

       低溫泵抽氣機(jī)理之二：低溫吸附 單用低溫冷凝是不夠的，Ne、H₂、He等氣體在20K的平衡蒸汽壓力太高了，不能被低溫冷凝在光的表面上，因而，用活性炭來吸附這些氣體。用活性炭作吸附材料是因?yàn)樗写蟮谋砻婷娣e，也因?yàn)樵偕^程中它在室溫下氣體能很容易地脫附。吸附在活性炭上的氫的平衡壓力決定于活性炭溫度和已吸附的氫的量。隨著吸附的氫的增加，吸附就變?yōu)樵诨钚蕴勘砻娴睦淠?。但冷凝層厚度增加時(shí)壓力不變?；钚蕴砍闅淠芰艽?，如果制冷機(jī)把1克活性炭保持在15K，它可以在10^-6托吸住280SCC的氫。低溫泵能夠吸住氣體的z*大量(抽氣容量)是指對(duì)特定的氣體種類的抽吸能力，也就是低溫泵被再生前抽除的氣體的體積。

       低溫泵的抽氣速度(抽速) 低溫泵設(shè)計(jì)者一般對(duì)抽氣速度z*感興趣，氣體由于所具有的熱能(等于動(dòng)能)而流人真空泵，由此可得出如下關(guān)系式：氣體進(jìn)入泵開口的平均速度等于氣體常數(shù)乘以溫度，再除以2π乘氣體分子量的平方根，這樣低溫泵的理想抽速就等于平均速度乘以氣體可以流過的泵口面積。由于多數(shù)真空系統(tǒng)工作在室溫，我們?cè)O(shè)想理想速度基于室溫。這樣一種分子的速度僅僅由分子重量決定，較輕的氣體具有較大的速度，氫的分子重量是2，通過每平方厘米開口面積上的抽速為44.6L/S。水分子量為18，理想抽速為14.9L/Scm²，而氮為這組中z*重的為28，它的理想抽速為11.98L/Scm²。如果所有碰到泵口迎面上的氣體分子都冷凍在百葉窗上的話，就實(shí)現(xiàn)了理想抽速。事實(shí)上，水就達(dá)到了這一點(diǎn)，幾乎所有碰到泵表面的水分子都粘在了百葉窗表面而不返彈回去。象N₂這類氣體必須穿過百葉窗冷凍在內(nèi)部冷板上，一部分分子返彈回去，其余的部分穿過去冷凍在內(nèi)部冷板上，為了有效阻擋輻射熱到達(dá)內(nèi)部冷板，低溫泵有人口百葉窗，它允許大約40％～25％的空氣分子(O₂和N₂)流過它冰凍結(jié)在冷板上。這樣，對(duì)N₂的凈抽速是理想抽速的25％—40％或3.0—4.8L/Scm²，Ne、H₂、He要走過更曲折的道路才能到達(dá)活性炭部位，結(jié)果只有約12％—20％的到達(dá)泵口表面的H₂分子被低溫吸附了，其余將彈回，所以H₂的凈抽速約為理想抽速的12％—20％或5.6—8.9L/Scm²。

       低溫泵的工作真空范圍 低溫泵典型的工作真空范圍為1×10-3—1×10^-11托。這一范圍內(nèi)氣體是自由分子流區(qū)，這意味著它們通常從一個(gè)壁面運(yùn)動(dòng)到另一壁面而相互之間不發(fā)生碰撞。在這一區(qū)域抽速是常數(shù)。隨著抽氣壓力增加進(jìn)人到大于1×10^-3托的轉(zhuǎn)變區(qū)，抽速增加了，與擴(kuò)散泵相比，低溫泵具有在這一區(qū)域內(nèi)抽速增大的特性，而擴(kuò)散泵的抽速減少。

       低溫泵的抽氣能力(抽氣容量) 低溫泵能夠聚集大量的固態(tài)水、空氣、氬、氮和氧，然后再蒸發(fā)除霜。在這些霜層形成時(shí)，泵的抽速很少降低，制冷溫度變化也很少，隨著霜層增加到一定程度，抽速和溫度都會(huì)有明顯變化。水被聚集在障板上直到堵掉一半的障板面積(例如：一個(gè)φ200口徑的低溫泵可凝聚300克水蒸氣成冰)。固體氮和氬聚集在低溫板的外層達(dá)幾個(gè)厘米，通常這個(gè)厚度僅受到不能挨到輻射屏的限制。(例如：一個(gè)φ200口徑的泵在低溫板外凝聚1cm厚的空氣或氬，其量為1200標(biāo)準(zhǔn)升。該泵專門用于濺射臺(tái)，其低溫板較大。另一種同樣口徑的泵該值僅為350標(biāo)準(zhǔn)升)。能吸收氫的量為對(duì)氫抽速減少50％時(shí)所聚集的氫平衡壓力(一段選l×10^-6托)決定，當(dāng)抽除其它氣體使低溫板溫度升高時(shí)，能吸附氫的量就減少。抽氣容量是指低溫泵能抽除(存留)某種特定氣體的z*大量，單位為托·升，mbar·L或者std·L。抽氣容量由以下因素決定： 1)障板抽水蒸氣達(dá)到了覆蓋一半流通面積； 2)冷板外面凝聚的氮、氬等厚度太大； 3)吸附陣接近飽和。在這三個(gè)因素中，往往是吸附z*先達(dá)到飽和，因?yàn)榕c冷凝相比，吸附的量要小于冷凝的量。所以抽氣容量主要由吸附?jīng)Q定(主要因素是吸附劑的性能和數(shù)量)。通常抽氣容量是指抽速降到初始抽速的一半時(shí)抽出的氣體的量，這時(shí)低溫泵需要再生了，實(shí)際中常常是真空度不夠好和制冷溫度超過20K時(shí)進(jìn)行再生。

       低溫泵中制冷機(jī)的熱負(fù)荷 用在低溫泵上的制冷機(jī)在沒有施加熱負(fù)荷時(shí)，二級(jí)z*低溫度約10K，一級(jí)z*低溫度35K。隨著施加的熱負(fù)荷增加，每一級(jí)上的溫度增大。例如給某制冷機(jī)加9W的熱負(fù)荷將使冷頭溫度達(dá)20K，一級(jí)上加17W的熱負(fù)荷使其溫度達(dá)77K。我們把低溫冷板標(biāo)稱溫度定為在正常工作時(shí)二級(jí)溫度約12K，一級(jí)溫度約60K—65K。這樣就對(duì)未預(yù)先考慮到的來自真空室的熱負(fù)荷或由于大的氣體流速下增加的熱負(fù)荷留有一定的余量。上述制冷機(jī)冷量分別為5W/12K和12W/60K。冷板的熱負(fù)荷來自以下三個(gè)方面：
       1．從真空室來的熱輻射；
       2．由于氣體從室溫下被冷卻并被在低溫下冷凍所放出的冷凝熱；
       3．腔內(nèi)殊余氣體的導(dǎo)熱。空氣的導(dǎo)熱系數(shù)(大于1托壓力時(shí)基本上是常數(shù))在壓力減少到1托以下時(shí)減少得很快。在壓力低于1×10^-3托(這個(gè)區(qū)域氣體處于分子流區(qū))，由于導(dǎo)熱引起的傳熱通常可以忽略。在低溫領(lǐng)域中，它被稱為絕熱真空。對(duì)比一下這時(shí)的導(dǎo)熱性能與通用的熱偶真空計(jì)，它的工作原理是從1×10^-3托至l托范圍內(nèi)的熱傳導(dǎo)系數(shù)的變化為基礎(chǔ)的。輻射熱是低溫泵的主要熱負(fù)荷，對(duì)要承受輻射熱的低溫泵有兩點(diǎn)要求：
       第一，盡可能多的反射來自真空室的輻射熱；
       第二，低溫泵應(yīng)該能吸收難以反射掉的輻射熱。一些很潔凈的電拋光真空室對(duì)低溫泵輻射熱極小，但多數(shù)情況是真空室壁面上吸附了水蒸汽后輻射熱量幾乎與黑體輻射相等。由于輻射熱是溫度的4次方的函數(shù)。如果在真空室有對(duì)低溫泵產(chǎn)生輻射的高溫?zé)嵩?，就容易地使低溫泵熱?fù)荷過大，因而，用水冷擋板來把真空室中的高溫?zé)嵩磁c低溫泵屏蔽開。低溫泵冷板應(yīng)該拋光良好，在降溫過程中就能反射輻射熱，但是，一旦薄的水層凝結(jié)在低溫表面，就會(huì)使表面變成吸收熱輻射的熱學(xué)黑體表面。在低溫泵中由于氣體冷凝所產(chǎn)生的熱負(fù)荷通常很小，但有一個(gè)例外的情況是當(dāng)?shù)蜏乇糜糜谠跒R射臺(tái)中抽氬時(shí)。冷凝氬產(chǎn)生的熱負(fù)荷大多數(shù)由制冷機(jī)二級(jí)承擔(dān)。冷凝1托·升/秒的氬大約需0.7W冷量。制冷機(jī)二級(jí)溫度隨著氬流量的增大而上升。由于通常需要同時(shí)把氫保持在活性炭上，低溫泵的流量設(shè)定應(yīng)以低溫板溫度不大于20K為標(biāo)準(zhǔn)(這時(shí)的流量為z*大流量)。一般在設(shè)定流量時(shí)的壓力為1×10^-3托，如果在濺射鍍膜工藝需要更高的氬氣壓力，那么就需要在低溫泵前安裝一個(gè)節(jié)流閥來把工作壓力減少到使進(jìn)入泵口時(shí)壓力為1×10^-3托。