低溫泵的概念和特點

原標題：低溫泵的概念和特點

低溫泵概述

置於真空容器中的低溫表面具有抽氣作用，這種利用低溫表面冷凝、吸附氣體而達到抽氣目的的泵稱為低溫泵。一般地，人們把利用普冷溫度(150K以上)的低溫板捕集水蒸氣、有機溶劑的裝置稱為冷凝器；把置於泵和容器之間的液氮、液態空氣溫度(80K以下)的低溫板，用以捕集泵的返流蒸氣的裝置，稱為冷阱或低溫擋板；只有低溫板的溫度在20K以下的抽氣裝置才稱為低溫泵。

最早人們用液氮溫度的低溫擋板來捕集擴散泵的油(汞)蒸氣，這種方法可以把擴散泵的極限壓力提高1~2數量級。但是要利用低溫板來抽除真空系統中的常見氣體(氮、氧、一氧化碳等)就需要液氫溫度(20.4K)以下的低溫，要抽除氫、氖等氣體就需要4K以下的低溫。常見氣體中，氦的飽和蒸氣壓最高，4.2K時的飽和壓力為1atm(latm=101325Pa)，僅靠低溫板抽除氦就非常困難。

現代液氦制冷機已經達到相當高的水平，液化效率高，能自動地長期連續運轉，特別是微型制冷機的出現，為制冷機低溫真空泵的發展奠定了良好的基礎。1957年，拉沙雷夫( Lasarew)和帕利( Baily)最早把極低溫應用於低溫泵。現代的低溫泵，為了能在10~20K的溫度範圍內抽除所有氣體，在低溫板上塗敷活性炭、分子篩等吸氣劑，極大地改善了低溫泵的抽氣性能。

低溫抽氣的基本原理是氣體在低溫板表面上的冷凝、吸附和低溫捕集。低溫冷凝是指空間被抽氣體壓力高於冷凝板對應的飽和蒸氣壓時，就能不斷地將氣體冷凝在低溫板上。低溫冷凝的限制是氣體壓力一旦達到它的飽和蒸氣壓時，抽氣便停止。要想獲得更低的壓力，需要採用低溫吸附抽氣手段，如果低溫表面能保持單分子層的覆蓋度很小的話，那麼表面的飽和壓力可降低到自身的冷凝物蒸氣壓的10-1-10-12倍。

不同溫度下的飽和吸附容量差異很大。在低壓下，吸附容量隨壓力線性降低，意味著吸附位越來越多地被占據，壓力就不斷升高，在澱積幾個單分子層後，吸附容量就達到極限，如果此時氣體壓力高於飽和蒸氣壓，就開始出現凝結現象，吸附層厚度隨抽氣時間增加，最大澱積層厚度受限於澱積層表面溫度和周圍高溫表面熱輻射。

低溫捕集是指氣體分子在澱積的鬆散的霜層表面或內部的吸附現象。在超高真空條件下，澱積層的厚度和澱積速度都很小，所以它不是低溫泵抽氣的主要機理，可能存在此種現象，但作用有限。

低溫泵的最大優點是可以獲得清潔真空(或無油真空)。它的工作介質全封閉在杜瓦瓶或制冷機內部而不暴露於真空中，不存在油脂、汞等雜質氣體的污染問題。

其次是低溫泵的抽速可從10^2L/s做到10^5 L/s。用於大型空間環模設備的低溫泵的抽速需要數十萬至數百萬升，這樣大的抽速用其他真空泵很難實現。

低溫泵的極限壓力低。不鏽鋼測試罩在不烘烤的條件下，可以獲得10-7Pa的極限壓力；經過300℃烘烤，極限壓力可以提高1~2數量級。

低溫泵和擴散泵、渦輪分子泵相比，具有很強的選擇性抽氣效應。對不同氣體的抽速、最大抽氣量以及極限壓力差別很大，選用低溫泵時應考慮被抽氣體成分對低溫泵抽氣性能的影響。此外，低溫泵的啟動壓力、最高工作壓力、最大抽氣量還受限於制冷機的最大製冷量。和濺射離子泵相似，低溫泵僅適用於高真空、超高真空，而不適用於低真空。

由於低溫泵具有無油污染、高效率、操作簡易等優點，因而在真空鍍膜、原子能加速器、空間環模設備、可控熱核反應、電子顯微鏡、質譜儀、高頻晶體定標以及科學研究領域中都得到廣泛應用。