低温泵的概念和特点

低温泵概述

置于真空容器中的低温表面具有抽气作用，这种利用低温表面冷凝、吸附气体而达到抽气目的的泵称为低温泵。一般地，人们把利用普冷温度(150K以上)的低温板捕集水蒸气、有机溶剂的装置称为冷凝器；把置于泵和容器之间的液氮、液态空气温度(80K以下)的低温板，用以捕集泵的返流蒸气的装置，称为冷阱或低温挡板；只有低温板的温度在20K以下的抽气装置才称为低温泵。

最早人们用液氮温度的低温挡板来捕集扩散泵的油(汞)蒸气，这种方法可以把扩散泵的极限压力提高1~2数量级。但是要利用低温板来抽除真空系统中的常见气体(氮、氧、一氧化碳等)就需要液氢温度(20.4K)以下的低温，要抽除氢、氖等气体就需要4K以下的低温。常见气体中，氦的饱和蒸气压最高，4.2K时的饱和压力为1atm(latm=101325Pa)，仅靠低温板抽除氦就非常困难。

现代液氦制冷机已经达到相当高的水平，液化效率高，能自动地长期连续运转，特别是微型制冷机的出现，为制冷机低温真空泵的发展奠定了良好的基础。1957年，拉沙雷夫( Lasarew)和帕利( Baily)最早把极低温应用于低温泵。现代的低温泵，为了能在10~20K的温度范围内抽除所有气体，在低温板上涂敷活性炭、分子筛等吸气剂，极大地改善了低温泵的抽气性能。

低温抽气的基本原理是气体在低温板表面上的冷凝、吸附和低温捕集。低温冷凝是指空间被抽气体压力高于冷凝板对应的饱和蒸气压时，就能不断地将气体冷凝在低温板上。低温冷凝的限制是气体压力一旦达到它的饱和蒸气压时，抽气便停止。要想获得更低的压力，需要采用低温吸附抽气手段，如果低温表面能保持单分子层的覆盖度很小的话，那么表面的饱和压力可降低到自身的冷凝物蒸气压的10-1-10-12倍。

不同温度下的饱和吸附容量差异很大。在低压下，吸附容量随压力线性降低，意味着吸附位越来越多地被占据，压力就不断升高，在淀积几个单分子层后，吸附容量就达到极限，如果此时气体压力高于饱和蒸气压，就开始出现凝结现象，吸附层厚度随抽气时间增加，最大淀积层厚度受限于淀积层表面温度和周围高温表面热辐射。

低温捕集是指气体分子在淀积的松散的霜层表面或内部的吸附现象。在超高真空条件下，淀积层的厚度和淀积速度都很小，所以它不是低温泵抽气的主要机理，可能存在此种现象，但作用有限。

低温泵的最大优点是可以获得清洁真空(或无油真空)。它的工作介质全封闭在杜瓦瓶或制冷机内部而不暴露于真空中，不存在油脂、汞等杂质气体的污染问题。

其次是低温泵的抽速可从10^2L/s做到10^5 L/s。用于大型空间环模设备的低温泵的抽速需要数十万至数百万升，这样大的抽速用其他真空泵很难实现。

低温泵的极限压力低。不锈钢测试罩在不烘烤的条件下，可以获得10-7Pa的极限压力；经过300℃烘烤，极限压力可以提高1~2数量级。

低温泵和扩散泵、涡轮分子泵相比，具有很强的选择性抽气效应。对不同气体的抽速、最大抽气量以及极限压力差别很大，选用低温泵时应考虑被抽气体成分对低温泵抽气性能的影响。此外，低温泵的启动压力、最高工作压力、最大抽气量还受限于制冷机的最大制冷量。和溅射离子泵相似，低温泵仅适用于高真空、超高真空，而不适用于低真空。

由于低温泵具有无油污染、高效率、操作简易等优点，因而在真空镀膜、原子能加速器、空间环模设备、可控热核反应、电子显微镜、质谱仪、高频晶体定标以及科学研究领域中都得到广泛应用。