低溫泵抽氣系統(tǒng)

　　低溫抽氣是目前獲得潔凈真空環(huán)境的一種快捷而有效的方法。隨著雙級高可靠性小型制冷機的日臻完善，制冷機低溫泵得到迅速發(fā)展，已成為獲得潔凈、無污染、抽速大、工作壓力范圍寬、抽氣效率高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，能長期工作及可任意方向安裝的真空獲得設(shè)備。

　　圖1給出典型的氣氦制冷機低溫抽氣系統(tǒng)的示意圖。該抽氣系統(tǒng)不需要前級泵，僅需要在粗抽過程中開動機械泵進行預(yù)抽。它不需要用液氮冷阱來防止低溫泵的返流，但可在真空室內(nèi)安裝冷阱、水冷障板或室溫障板來屏蔽工作過程中的熱載荷，但是這些障板也會降低系統(tǒng)的總抽速。低溫泵可以用氫蒸氣壓規(guī)來監(jiān)測第二級冷陣的溫度。

1.壓力安全閥　2.高真空閥　3.真空室放氣閥　4.電離規(guī)　5.熱傳導(dǎo)規(guī)　6.粗抽閥　7.機械泵放氣閥　8.機械泵　9.低溫泵預(yù)抽閥　10.低溫泵沖洗氣體閥

圖1 　氦氣制冷機低溫泵真空機組

　　低溫泵的抽速大，通常用在不能高溫烘烤除氣的真空系統(tǒng)。從抽氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，低溫泵系統(tǒng)類似于離子泵系統(tǒng)。為了無污染粗抽真空，還可以配接吸附泵。但是這種結(jié)合并不適用于抽除大量的惰性氣體，例如氬氣。而且雖然低溫板易抽氣，但當?shù)蜏乇眯枰�再生時，會給吸附泵造成困難。由于前級泵只在起始抽氣期間使用，所以污染極少，如果使前級泵工作在粘滯流范圍，即用機械泵粗抽到200 Pa，然后再用吸附泵接力抽到1 Pa，可進一步減少污染。但是除了額外氣體負載外，低溫泵在200 Pa 下開始冷卻時會導(dǎo)致可凝結(jié)性氣體，例如CO2 和水汽，凝結(jié)在低溫板上而不是周圍屏蔽板上。在低溫板上涂覆適量活性碳可有效地降低這種凝結(jié)效應(yīng)。因為低溫泵對氫氣的抽速很小，所以低溫泵抽氫氣時應(yīng)與鈦升華泵結(jié)合。低溫泵也可以和其它的超高真空泵，例如離子泵或渦輪分子泵進行組合。

低溫泵真空系統(tǒng)的操作

　　低溫泵抽氣系統(tǒng)不需要前級泵，僅需要粗抽泵，低溫抽氣的真空室在到達切換壓力之前是用粗抽泵進行抽氣的。當達到切換壓力后關(guān)掉粗抽閥并打開高真空閥。真空室可在安全的壓力范圍內(nèi)地被轉(zhuǎn)換上低溫泵抽氣。如果用機械泵粗抽，則真空室切換到低溫泵抽氣轉(zhuǎn)換所允許的最低壓力是由防止機械泵返油的要求決定的。對直徑為4 到6 cm 的粗抽管道來說，最低壓力約為10到20 Pa。對直徑非常大的粗抽管道來說，其切換的最低壓力值更低；但其數(shù)值要大于克努曾數(shù)為0.01 時的壓力值。最高切換壓力取決于低溫抽氣表面的幾何形狀和制冷機的制冷量。泵的低溫抽氣表面應(yīng)具有相當大的熱容量，它們能接納“突發(fā)”的氣體而不產(chǎn)生不可逆升溫。在一次氣體突發(fā)中導(dǎo)入低溫泵中的最大氣體量Qi 的允許數(shù)值可由低溫泵的制造廠家得到，當打開高真空閥時瞬間導(dǎo)入的氣體量可由Qi＝PcV 求出，由此可見，最大切換壓力為

　　式中Pc———切換壓力，Pa
　　　　V———真空室容積，m3
　　　　Qi———某一瞬時突發(fā)進入低溫泵內(nèi)的最大氣體量（例如打開高真空閥時瞬間導(dǎo)入的氣體量）；V 為真空室容積。

　　對典型的小型制冷機低溫泵，由粗抽轉(zhuǎn)換到低溫泵抽氣的切換壓力范圍為

　　假如由（4）式求得的值低到在切換前就會有機械泵油返流現(xiàn)象的話，那就說明相對于真空室容積尺寸來說低溫泵的抽速太小了。

　　由（4）式求得的低溫泵的切換壓力要比擴散泵的高幾個數(shù)量級。如果突發(fā)產(chǎn)生的氣體很多，則在粘滯流或過渡流時，突發(fā)氣體中的水蒸氣就會到達吸附劑處，覆蓋在吸附劑上或使之飽和，從而防礙了對氫氣和氦氣的抽除。在大部分低溫抽氣系統(tǒng)中，切換壓力接近100 Pa。為了盡量減少油的返流，最好是采用盡可能高的并避免吸附劑出現(xiàn)飽和現(xiàn)象的切換壓力。