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[低溫泵入門 1 ]
低溫泵的工作原理及構造
1.何謂低溫泵？
低溫泵是通過在真空容器內形成極低溫面，把容器內的氣體分子冷凝、吸附在此低溫面上將其從真空環境中除去的泵。被冷凝氣體的飽和蒸氣壓和被吸附氣體的吸附平衡壓降至10-8Ｐａ以下時低溫泵才能有效進行抽氣。圖１所示為各種氣體的蒸氣壓。從圖中可看出，蒸氣壓低于氮氣的氣體在極低溫面（低溫面或低溫冷凝板）的溫度低于２０Ｋ時，其蒸氣壓會降至10-8Ｐａ以下。但像氫、氦、氖蒸氣壓高的氣體分子在２０Ｋ則不能通過冷凝作用排出，只能被降至２０Ｋ以下的低溫吸附劑吸附而排出。由此可以看出，低溫泵可對所有氣體進行排出，即可獲得潔凈超高真空環境。
圖１ 各種氣體的蒸氣壓
根據冷卻方式，可分為兩類，一是以液氮（ＬＮ２,７７Ｋ）或液氦（ＬＨｅ，４.２Ｋ）為冷媒（貯液式低溫泵），二是以小型氦氣低溫制冷機來冷卻。使用小型氦氣制冷機的低溫泵，無需像貯液式低溫泵一樣需要定期提供冷媒。故既可在操作上輕易獲得潔凈的超高真空，又可長時間穩定連續運轉。
2.低溫泵的工作原理及構造
有關低溫泵的構造以ＣＲＹＯ－Ｕ８Ｈ為例進行說明。低溫泵內使用的制冷機為2段式制冷機。1段冷凍能力大，可冷卻至８０Ｋ以下。2段雖然冷凍能力小，但也可冷卻至１０～１２Ｋ。１５Ｋ低溫冷凝板(１)（冷凝板）和１５Ｋ低溫冷凝板(２)（吸附板）設置在2段上，并受安裝在1段上的８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ擋板保護，避開來自室溫的放射（輻射）熱。
圖２ ＣＲＹＯ－Ｕ?８Ｈ構造
低溫泵可排放以下氣體(1)～(3)。
| (1)空氣(N2、O2) | ：對真空裝置進行粗抽真空后的殘留氣體 | ||
| (2)放出氣體 | 1 | H2O | ：被吸附在真空容器壁面（真空裝置中存在的主成分）玻璃、塑料、陶瓷的放出氣體主成分 |
| 2 | H2 | ：從真空容器的金屬壁擴散放出（超高、極超高真空中的問題）高溫，溶解金屬（Ａl）的放出氣體（鍍膜，濺射） | |
| 3 | CO、CO2、 CH4、CnHm |
：真空裝置壁內的污染 | |
| (3)導入氣體 | 4 | Ar | ：濺射裝置 |
| 5 | H2 | ：離子注入 | |
| 6 | O2 | ：氧化物 | |
| 7 | 其他 | ||
從蒸氣壓表中可看出，低溫面的溫度降至１３０Ｋ以下時，其蒸氣壓低于10-8Pa，因此水蒸氣（H2O）可凝結在冷卻至８０Ｋ以下的８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ擋板上排出。氮（N2）、氧（O2）、氬（Ａｒ）等氣體，因在８０Ｋ溫度下其蒸氣壓高，不能凝結在８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ擋板上，將會凝結在冷卻至20Ｋ以下的15Ｋ冷凝板上排出。
像氦（Ｈｅ）、氫（H2）、氖（Ｎｅ）蒸氣壓極高的氣體分子在10～20Ｋ下則不能以冷凝作用排出，只能被涂在15Ｋ冷凝板(1)（冷凝板）內側的低溫吸附劑吸附排出。為防止吸附劑表面被冷凝性氣體蓋住，將把15Ｋ冷凝板(2)（吸附板）設置在冷凝性氣體不易進入的冷凝板的內側。
對８０Ｋ屏蔽筒、８０Ｋ擋板、１５Ｋ冷凝板(1)的外表面進行拋光處理是為了讓來自室溫的輻射熱反射回去。對８０Ｋ屏蔽筒的內面進行黑化處理是為了防止來自室溫的輻射熱在８０Ｋ屏蔽筒內面經反射后又入射到１５Ｋ冷凝板上。為了保證低溫泵的正常運轉，８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ擋板的溫度應低于１３０Ｋ，且１５Ｋ冷凝板的溫度應低于２０Ｋ。
在８０Ｋ屏蔽筒上安裝Ｋ(ＣＡ)熱電偶，在１５Ｋ冷凝板上安裝氫蒸氣壓溫度計(H2ＶＰ)或低溫熱電偶溫度計ＭＢＳ型，以此來測量各部位溫度。Ｋ(ＣＡ)熱電偶在１３０Ｋ下的標準起動電壓為－５.５ｍＶ）
3.低溫泵的再生與安全閥
低溫泵不像油擴散泵或渦輪分子泵，把被抽氣體壓縮后排放于泵外。因是通過冷凝吸附被捕集的氣體貯蓄在低溫泵內，故要求定期把泵內氣體向外放出，即進行再生。所謂再生就是通過把低溫泵的溫度升至室溫，把泵內冷凝、吸附的氣體恢復至氣體狀態后排出的過程。泵內貯蓄氣體量多或泵內成密封狀態的情況下進行再生時，泵內成高壓狀態，非常危險，因此低溫泵上附有安全閥。安全閥的開啟壓力設定為２０ｋＰa(表壓)。安全閥是為安全而設置的，絕對不可堵住安全閥或作為其他用途來使用。也不能作為再生時的放氣閥門來使用。安全閥動作時，放出氣體中的灰塵、污垢等，將會附著于安全閥座上，從而導致泄漏現象發生。
像氫、氦、氖蒸氣壓高的氣體分子在２０Ｋ則不能以冷凝作用排出，只能被降至２０Ｋ以下的低溫吸附劑吸附而排出。
4.低溫泵系統
低溫泵系統基本上由
《1》低溫泵組（包括制冷機組）
《2》壓縮機裝置
《3》金屬軟管（2條）
構成，并如圖3所示連接。
此外低溫泵起動（因低溫泵
不能從大氣壓下起動）和再生時
需要粗抽泵。（由客戶準備）
圖３ 低溫泵系統
