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。

1.低溫泵是

真容器內(nèi)設(shè)有極低溫面，通過冷凝和吸附來捕捉容器里的氣體并排氣的泵。
由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件很少且不使用油，因此可以實(shí)現(xiàn)清潔的高真空。
為了使低溫泵有效的進(jìn)行排氣，冷凝時(shí)的蒸氣壓力，吸附時(shí)的吸附平衡壓力必須在10-8Pa以下。
圖1是各氣體的蒸氣壓力，比氮?dú)獾恼羝麎毫Φ偷臍怏w，在極低溫面(低溫面或低溫?fù)醢?冷卻到20K以下時(shí)，其蒸汽壓力為10-8Pa以下。氫氣、氦氣、氖氣等蒸汽壓較高的氣體在20K時(shí)不能通過冷凝排氣，所以通過卻到20K以下的吸附劑排氣。
以這種方式，低溫泵可以排出所有氣體以獲得超高真空。

圖1.各種氣體的蒸氣壓力

形成冷凍表面的方式，通常使用封閉循環(huán)的小型氦冷凍機(jī)。低溫泵使用小型氦冷凍機(jī)，不需要像貯液型低溫泵那樣定期補(bǔ)給冷凍劑，通過簡單的操作即可得到清潔的超高真空，可長時(shí)間、穩(wěn)定的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.低溫泵的動(dòng)作原理和結(jié)構(gòu)

CRYO-U8H為例來說明低溫泵的結(jié)構(gòu)。
低溫泵的冷凍機(jī)為2段式，1段具有較大的制冷能力，可以冷卻至80K或更低，2段的制冷能力較小，可以冷卻至10至12K。
15K擋板(1)(冷凝板)和15K擋板(2)(吸附板)安裝在冷凍機(jī)的2段上80K擋板和80K屏蔽桶安裝在制冷能力較大的1段上，防止受到室溫的熱放射(輻射)。另外，為了防止吸附劑表面不被覆蓋，吸附劑被安裝在濃縮性氣體不能進(jìn)入的擋板的內(nèi)側(cè)。

圖2.CRYO-U8H

低溫泵主要的排氣氣體是、以下(1)～(3)等。

(1)空氣(N2、O2)    ：真空設(shè)備粗抽后的殘余氣體    

(2)放出氣體    1    H2O    ：吸附在真空容器表面（普通真空設(shè)備中最大的部分），從玻璃、塑料、陶瓷釋放出來的氣體的主要成分    

2    H2    ：真空容器的金屬壁內(nèi)部擴(kuò)散放出(超高、真空的問題)高溫，熔融金屬(特別是鋁)放出(蒸鍍、濺射)    

3    CO、CO2、
CH4、CnHm    ：真空設(shè)備壁面上的污垢    

(3)導(dǎo)入氣體    4    Ar    ：濺射設(shè)備    

5    H2    ：離子注入    

6    O2    ：氧化物    

7    其他    

根據(jù)蒸汽壓力表可知，水蒸汽(H2O)溫度在130K以下的話，蒸汽壓力就會(huì)在10-8Pa以下,氮?dú)?N2)、氧氣(O2)、一氧化碳(CO)、氬氣(Ar)等氣體，由于蒸汽壓力高而不能在80K時(shí)冷凝，需要通過20K以下?lián)醢?1)的外表面來冷凝和排氣。

氦氣(He)、氫氣(H2)、氖氣(Ne)等更高蒸氣壓力的氣體在10～20K的溫度下不會(huì)冷凝，因此通過安裝在15K擋板(1)（冷凝板）內(nèi)側(cè)的吸附劑來吸附和排氣。吸附劑安裝在15K擋板(2)（吸附板）中，為了防止吸附劑表面不被覆蓋，吸附劑被安裝在濃縮性氣體不能進(jìn)入的擋板的內(nèi)側(cè)。
80K屏蔽桶、80K擋板、15K擋板 (1) 的外表面為鏡面，可以反射室溫的輻射熱。80K屏蔽桶的內(nèi)表面進(jìn)行了黑化處理，是為了防止室溫輻射在80K屏蔽的內(nèi)面反射，射入15K擋板。為使低溫泵正常工作，80K屏蔽桶、80K擋板的溫度必須在130K以下，15K擋板必須在20K以下。

為了能夠確認(rèn)這些溫度，在80K擋板上安裝了CA熱電偶，在15K擋板上安裝了氫氣蒸汽壓溫度計(jì)(H2VP)及MB型低溫?zé)犭娕紲囟扔?jì)。（CA熱電偶130K的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢為-5.5mV。）

3.低溫泵的再生和安全閥

油擴(kuò)散泵和渦輪分子泵是將壓縮排出的氣體釋放到泵外，但低溫泵是通過冷凝和吸附儲(chǔ)存在15K擋板中，因此必須定期釋放和再生。
再生是指將低溫泵的溫度升高到室溫并使冷凝或吸附的氣體重回到氣體狀態(tài)。儲(chǔ)存了大量氣體的低溫處于密封狀態(tài)時(shí)，低溫泵的內(nèi)部可能在再生期間變成高壓氣體，因此需要在低溫泵上安裝安全閥。
安全閥的工作壓力設(shè)定為20kPa（表壓）。
使用安全閥是為了安全起見，因此請(qǐng)勿關(guān)閉安全閥或?qū)⑵溆糜谄渌康摹?br/>另外，請(qǐng)勿在再生過程中將其用作氣體釋放閥。當(dāng)安全閥工作時(shí)，吹掃氣體中的灰塵等附著在o-ring表面上，會(huì)導(dǎo)致漏。

4.低溫泵系統(tǒng)

低溫泵系統(tǒng)基本由

《1》低溫泵單元(含冷凍機(jī)單元)
《2》壓縮機(jī)單元
《3》軟管(2根)

構(gòu)成，按圖3所示連接后。低溫泵便的啟動(dòng)（低溫泵不能在大氣壓下啟動(dòng)）和再生需要粗抽泵（由客戶準(zhǔn)備）。

圖3.低溫泵系統(tǒng)

低溫泵的性能

低溫泵的主要性能有：(1) 冷卻降溫特性 (2) 排氣速度 (3) 排氣容量 (4) 最大流量 (5) 交叉壓力 (6)極限壓力 (7)熱負(fù)荷能力 等。
這些項(xiàng)目蔣在以下進(jìn)行說明。

1.冷卻降溫(cool-down)特性

由于低溫泵不能在大氣壓下啟動(dòng)，因此需要粗抽泵。使用回轉(zhuǎn)泵進(jìn)行粗抽的情況下，ULVAC Cryo的低溫泵40Pa不會(huì)引起油蒸汽的回流。殘留在泵中的所有氣體都被低溫泵內(nèi)的吸附劑吸附。冷卻時(shí)間受以下因素影響。

表1.影響冷卻時(shí)間的因素

要因

冷卻時(shí)間

1.粗引き圧    高    延長    

2..泵的溫度    高    延長    

3.粗抽后殘留氣體的構(gòu)成    干(泵內(nèi)干燥)    延長    

水分多    減少    

4.泵的污染    已污染    延長    

冷卻時(shí)間受再生方法的影響。 當(dāng)使用氮?dú)獯祾呋蚣訜釒箿囟壬邥r(shí)，水分會(huì)變少變得干燥，真空隔熱難以實(shí)現(xiàn)，因此冷卻時(shí)間變長。另外，請(qǐng)注意微小的漏也會(huì)導(dǎo)致冷卻時(shí)間延長或不能冷卻(安全閥處導(dǎo)致的漏請(qǐng)?zhí)貏e注意)。此外，60Hz區(qū)域的冷卻速度比50Hz區(qū)域快10-15％。通常，冷卻時(shí)間定義為15K擋板的溫度低于20K所需的時(shí)間，如表4-2所示。

2.排氣速度特性

2-1.對(duì)水的排氣性能

如果冷凍面的溫度為150K以下，則冷凍面對(duì)水的冷凝概率幾乎為1。通常，低溫泵80K屏蔽桶和80K運(yùn)作期間的溫度為130K以下（通常約為80K），因此低溫泵相對(duì)于水的排氣速度等于80K屏蔽桶口徑的理想排氣速度。對(duì)分子量M氣體單位面積的理想排氣速度s為s=62.5／M1 / 2(L/s/cm2)(20℃)水的話，M=18的理想排氣速度為s=14.7(L/s/cm2)。80K屏蔽桶吸氣口面積A(cm2)，低溫泵對(duì)水的排氣速度S為S=s?A(L/s)。

例如、8型的低溫泵、80K屏蔽桶吸氣口面積約為275cm2，對(duì)水的排氣速度為4000L/s。對(duì)在80K擋板中冷凝和排出的氣體（例如，CO2，NH4）進(jìn)行相同的計(jì)算。CRYO-U8H對(duì)CO2的排氣速度計(jì)算，對(duì)水的排氣速度為4000L/s，CO2的分子量為44，SCO2=SH2O X ( 18 / 44 )1/2=2560 L/s。

表2.低溫泵對(duì)于水的排氣速度

口徑

型號(hào)

排氣速度（L/s)

6    U6H    2100    

8    U8H,U8H-U,U8HSP    4000    

10    U10PU    6900    

12    U12H,U12H-K2,U12HSP    9500    

16    U16,U16P    16000    

20    U20P    29000    

22    U22H    39000    

30    U30H    70000    

2-2.對(duì)Ar、N2（冷凝性氣體）的排氣特性

具有相對(duì)高蒸氣壓力的氣體如N2，Ar，CO和O2不會(huì)被80K擋板或80K屏蔽冷凝，而是在低于20K的溫度下冷凝和排出。
如果冷凍面溫度為20K以下，則冷凍面對(duì)冷凝性氣體的捕獲概率為1，另外，由于在分子流動(dòng)區(qū)域中從進(jìn)氣口到低溫?fù)醢宓膫鲗?dǎo)是恒定的，因此低溫泵在分子流動(dòng)區(qū)域中的排氣速度是恒定的。

產(chǎn)品手冊(cè)中低溫泵的排氣速度值是分子流區(qū)域中對(duì)氮?dú)獾呐艢馑俣?。?duì)氮?dú)庖馔獾姆肿恿縈的冷凝性氣體的排氣速度，通過以下公式計(jì)算求得。

SM=SN2×(28／M)1/ 2（L/s）???????(1)
SN

2：對(duì)氮?dú)獾呐艢馑俣龋↙/s）

例如，CRYO-U8H對(duì)氬氣的排氣速度，從表6-3可知SN2＝1700（L/s），氬氣的分子量M=40，通過此公式計(jì)算
Sar=1700X(28/40)1 / 2=1400L/s

圖1.CRYO-U對(duì)于氮?dú)獾呐艢馑俣?/p>

型號(hào)

排氣速度（L/s）

U6H    750    

U8H/U8H-U/U8HSP    1700    

U10P    2300    

U12H    4000    

U12HSP    4100    

U16/U16P    5000    

U20P    10000    

U22H    17000    

U30H    28000    

表3.各種低溫泵對(duì)氮?dú)獾呐艢馑俣龋óa(chǎn)品手冊(cè)值）

當(dāng)氣流從分子流變?yōu)橹虚g流（過渡流）時(shí)，電導(dǎo)與壓力成比例，因此排氣速度增加。然而，由于輸入到低溫泵的熱量隨著壓力的增加而增加，所以當(dāng)熱負(fù)荷超過冷凍機(jī)的制冷能力時(shí)，就會(huì)達(dá)到低溫泵的排氣極限。ULVAC Cryo根據(jù)該熱負(fù)荷，將低溫?fù)醢鍦囟冗_(dá)到20K時(shí)的流量定義為最大流量(圖6-1 ○點(diǎn))。 雖然最大流量會(huì)隨著制冷能力加強(qiáng)而增加，但是由于制冷能力再強(qiáng)，冷凝層的熱傳導(dǎo)率也是有限的，因此在厚度方向上會(huì)出現(xiàn)溫度梯度。如果冷凝層的表面溫度過高超過極限，氣體就不會(huì)凝結(jié)，故排氣速度變?yōu)?，成為物理排氣極限。

2-3.對(duì)H2、He、Ne　(非冷凝性氣體)的排氣速度

H2，He和Ne是蒸氣壓力最高的氣體，在20K左右時(shí)，由于蒸汽壓力太高而不能通過冷凝排出，因此也被稱為非冷凝性氣體。由于這些氣體不能通過冷凝排出，因此通過用冷卻至20K以下的吸附劑吸附來排氣。吸附劑吸附非冷凝性氣體時(shí)會(huì)飽和，因此排氣速度會(huì)慢慢降低。當(dāng)排氣速度下降到初始值的80％時(shí)，此時(shí)排出的氣體量被定義為排氣量（稍后描述）。
在非凝結(jié)性氣體中，氫是排放氣體的重要成分，也是應(yīng)用上重要的氣體，因此經(jīng)過詳細(xì)研究確定了式樣。氖氣使用的例子很少，所以數(shù)據(jù)很少。另外，氦氣是最難被吸附的氣體，只能被排出氬氣的1/100～1/1000，因此不推薦使用低溫泵來排氣。

型號(hào)
CRYO-U

排氣速度
(L/s)

最大流量
(Pa?L/s)

排氣流量
(Pa?L)

-U6H    1100    1.1×102    3.1×105    

-U8H    2700    2.4×102    1.0×106    

-U8HSP    3200    2.4×102    1.0×106    

-U10PU    3600    1.5×102    6.7×105    

-U12H    6000    4.1×102    9.8×105    

-U12HSP    6000    4.1×102    1.6×106    

-U16    10000    4.1×102    2.4×106    

-U16P    10000    4.5×102    2.4×106    

-U20P    18000    5.0×102    4.6×106    

-U22H    25000    1.3×103    8.5×106    

-U30H    43000    7.4×102    1.5×107    

表4.CRYO-U對(duì)于氫的排氣特性

圖2.CRYO-U對(duì)于氫的排氣速度

3.低溫泵的排氣容量

3-1.對(duì)于凝固性氣體的排氣容量

通過冷凝排出的氣體是（1）通過80K屏蔽桶或80K擋板排出的氣體（主要是水）和，（2）通過15K擋板排出的氣體（氮?dú)猓瑲鍤?，氧?。

(1) 對(duì)水的排氣容量
當(dāng)水凝結(jié)在80K擋板上，冰的厚度增加時(shí)，80K擋板的電導(dǎo)會(huì)減小，通過15K擋板冷凝和吸附排氣的氣體的排氣速度也會(huì)減小。由于需要再生，此時(shí)排出的水量即為排氣容量，沒有明確的對(duì)水的排氣容量的定義。但是，下表中的值可作為水的排氣界限的粗略指導(dǎo)。 （注意排氣量的單位是g（克））

型號(hào)

排氣容量（ｇ）

CRYO-U6H    40    

CRYO-U8H,U8H-U    90    

CRYO-U10PU    170    

CRYO-U12H    260    

CRYO-U16,U16P    500    

CRYO-U20P    1000    

CRYO-U22H    1400    

表5.低溫泵對(duì)水的排氣容量（參考）

(1) 水多的情況

塑料    

玻璃    

陶瓷    

(2) 水多的情況下再生注意點(diǎn)

當(dāng)溫度升高時(shí)，冰融化    

粗抽時(shí)，不要冷凍水    

從泵內(nèi)將水去除    

檢查旋轉(zhuǎn)泵的性能（注意油乳化）    

(2) 對(duì)氬氣的排氣容量

通過15K冷凝板凝結(jié)排出的氣體中存在的難題是濺射工藝中氬氣的排氣容量。15K擋板外表面冷凝氬氣層的厚度增加，觸碰到溫度較高的80K擋板和80K屏蔽桶，或者氬氣層本身的溫度梯度增加，使氬氣表面溫度升高。此類情況下，都會(huì)導(dǎo)致不能再進(jìn)行冷凝。此時(shí)，排出的氬氣量即為排氣容量。ULVAC Cryo將對(duì)氬氣的排氣容量定義為[將主閥關(guān)閉且在主閥關(guān)閉后5分鐘后壓力不會(huì)降至1.3X10-4Pa以下的氬氣的排出量]。圖6-3是連續(xù)導(dǎo)入200CCM的氬氣，停止導(dǎo)入5分鐘后CRYO-U12HSP的壓力值，排氣量超過4.3×108Pa·L開始，壓力突然恢復(fù)，因此排氣量為4.3×108Pa·L。表6-6顯示了每種型號(hào)低溫泵的氬氣排放能力。

圖3.CRYO-U12HSP的壓力恢復(fù)（測量例）

機(jī)種CRYO-

排氣容量(Pa?L)

-U6H    5.6×107    

-U8H,U8H-U    1.0×108    

-U8HSP    2.5×108    

-U10PU    1.0×108    

-U12H    2.1×108    

-U12HSP    4.3×108    

-U16,U16P    4.3×108    

-U20P    5.8×108    

-U22H    8.1×108    

-U30H    7.8×108    

3-2.對(duì)于非冷凝性氣體的排氣容量

氫氣，氦氣，氖氣等不能通過10K左右冷凝排出的氣體，通過被15K擋板內(nèi)側(cè)的吸附劑吸附排氣。因此，隨著吸附量的增加，會(huì)接近飽和的狀態(tài)，（1）排氣速度降低，（2）吸附平衡壓力增高，排氣性能慢慢下降，最終不能進(jìn)行排氣。ULVAC Cryo把對(duì)氫氣的排氣容量定義為對(duì)氫氣的排氣速度降至初始排氣速度的80％時(shí)為止的氫氣吸附量。為了使吸附劑能發(fā)揮出預(yù)定的吸附能力，必須清潔吸附劑。吸附劑的污染為

(1)　吸附冷凝性氣體(主要是空氣)時(shí)
(2)　吸附水分時(shí)
(3)　吸附油蒸氣時(shí)

當(dāng)這些物質(zhì)被大量吸附時(shí)，吸附氫氣的能力就會(huì)降低。通過再生低溫泵可以去除空氣和水分，但是一旦油蒸汽被吸附，就不能再次被去除，此時(shí)必須更換15K擋板（2）（吸附板）。為了保持低溫泵對(duì)于氫氣的吸附性能，必須絕對(duì)避免油蒸氣回流到低溫泵中。
圖4是對(duì)于氫氣的排氣速度與氫氣排氣容量的關(guān)系圖，其中S是排氣速度，C是排氣容量。有關(guān)各種型號(hào)的排氣速度和排氣容量，請(qǐng)參考圖4。

圖4.對(duì)于氫氣的排氣速度與排氣容量關(guān)系

4.低溫泵的熱負(fù)荷和最大流量

低溫泵的熱負(fù)荷為輻射熱和氣體負(fù)荷（氣體熱傳導(dǎo)，冷凝熱），分別給出以下方程式。

σ

：玻爾茲曼常數(shù)　5.67×10-12W/cm2/K4    

εAV

：平均輻射率    

T1

：低溫面的溫度（K）    

T2

：高溫面的溫度（K)    

A

：受熱面積（cm2)    

A1：內(nèi)側(cè)　A2：外側(cè)

γ

：氣體的比熱比    

ａ0

：平均熱適應(yīng)系數(shù)    

Ｐ

：圧力（Pa）    

M

：分子量    

T1

：圧力P測量點(diǎn)的溫度（K）    

T2

：低溫面的溫度（K）    

A    ：受熱面積（cm2）    

平均熱適應(yīng)系數(shù)ａ0式（A1＜A2）



適應(yīng)系數(shù)ａ1,ａ2（近似值）

γ

：冷凝熱（H2,He,Ne的話，吸附熱）(W/Pa?L/s）    

Tc

：低溫面的溫度（K）    

Tg

：氣體的溫度（K）    

S

：低溫泵的排氣速度（L/s)　　SP：（Pa?L/ｓ）    

P

：圧力（Torr）    

Cp

：氣體的平均比熱(W/（Pa?L/s）/K）    

冷凍機(jī)1段的熱負(fù)荷為輻射熱和氣體的傳導(dǎo)熱，除非在10-1Pa范圍內(nèi)連續(xù)使用，否則通常大部分為輻射熱。冷凍機(jī)2段的制冷能力受1段的熱負(fù)荷影響，如果1段的熱負(fù)荷增加，則2段的制冷能力會(huì)下降，最大流量也會(huì)下降。
因此，當(dāng)導(dǎo)入低溫泵的氣體量很大時(shí)，請(qǐng)保持低溫泵的清潔（減少輻射熱），減少由熱輻射引起的熱過負(fù)載。通常，大型低溫泵的話受熱面積更大，會(huì)有更多的熱輻射，因此需要更大制冷能力的冷凍機(jī)。低溫泵的最大流量定義為當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)輻射熱時(shí)，冷凝熱（或吸附熱）使低溫泵的溫度到達(dá)20K時(shí)的流量。如果泵的口徑相同，冷凍機(jī)的制冷能力越大，或排氣速度越大，則最大流量也越大。比如CRYO-U16和U16P的口徑相同，有同樣的排氣速度，U16P的冷凍機(jī)(R50)的話比U16的冷凍機(jī)(R20)有更大的制冷能力，因此最大流量也更大。
低溫泵的最大工作壓力Pmax是通過將最大流量Qmax除以此時(shí)的排氣速度Smax而求得的。(Pmax=Qmax/Smax)。 氬氣的話，Pmax約為10-1Pa，此為中間流。表7顯示了各種型號(hào)的最大流量。

低溫泵的最大流量

氬氣
（Pa?L/s）

氫氣
（Pa?L/s）

CRYO-U6H

1.1×103    1.1×102    

CRYO-U8H,U8H-U,U8HSP

1.2×103    2.4×102    

CRYO-U10PU

8.0×102    1.5×102    

CRYO-U12H,U12HSP

2.0×103    4.1×102    

CRYO-U16

1.4×103    4.1×102    

CRYO-U16P

1.6×103    4.5×102    

CRYO-U20P

1.1×103    5.0×102    

CRYO-U22H

4.1×103    1.3×103    

CRYO-U30H

2.7×103    7.4×102    

5.交叉圧力(cross over)

交叉壓力為，真空槽粗抽時(shí)打開主閥切換至低溫泵時(shí)，真空槽的壓力（粗加壓力）。此時(shí)允許的最大粗抽壓力為最大允許交叉壓力。主閥打開的瞬間真空槽種的氣體向低溫泵流入，如果氣體的量超過極限，則低溫泵不能再次恢復(fù)排氣能力，溫度會(huì)升高，已排氣的氣體全部被放出。極限氣體量（可處理的最大氣體吸入量）除以真空室的容積來求得最大容許交叉壓力。

可處理的最大氣體吸入量為恢復(fù)排氣性能的極限值（通常低溫?fù)醢宓臏囟瘸^20K）。通常處于安全考慮，粗抽壓力極限為(1)公式種求得的最大容許交叉壓力的1/2。此外，如果想提高安全系數(shù)，可以將低溫泵擋板溫度不超過20K時(shí)的值設(shè)為最大允許交叉溫度?？商幚淼淖畲髿怏w吸入量會(huì)隨低溫泵上的熱負(fù)荷和低溫泵中冷凝氣體量而變化。

表6-8為各種型號(hào)可以處理的最大氣體吸入量（相對(duì)于空氣）的參考。例如，U8H的話，容積100L的真空容器的最大容許交叉壓力Pmax為可處理的最大吸入氣體量133000Pa?L，Pmax ≤ 133000Pa?L/100L=1330Pa，粗抽1330Pa以下。通常安全系數(shù)為2被以上，即粗引圧力設(shè)為665Pa。通如果為了不超過20K、可處理的最大吸入氣體量為20000Pa，P=20000/100=200Pa。 真空容器容積大，粗抽壓力40Pa以下時(shí)，必須采取措施防止油蒸汽回流，安裝更大的泵，或增加泵的數(shù)量，使粗加工壓力為40Pa或更高。

6.到達(dá)

低溫泵無氣體流量時(shí)的達(dá)到壓力為，冷凝性氣體在低溫面溫度下各種氣體的蒸氣壓力和冷凝系數(shù)（假設(shè)為1），代入以下公式求得。

Pg=Ps(Tg/Ts)1/2

Ts

：低溫面的溫度　10～20K    

Ps

：溫度為Ts時(shí)的氣體蒸汽壓力（氫氣為吸附平衡壓力）（Pa）    

Tg

：氣體溫度　～300K    

冷凝性氣體中，蒸汽壓力最高的氣體是氮?dú)?，?duì)于氮?dú)猱?dāng)?shù)蜏孛鏈囟?0-20K時(shí)，到達(dá)壓力如圖6所示。通常，在沒有負(fù)載的狀態(tài)下，低溫泵擋板為10-12K，蒸氣壓力為~10-21Pa，在實(shí)際使用時(shí)可以忽視。對(duì)于非冷凝性氣體氫氣的極限壓力由吸附平衡壓力決定。如圖6-7所示，低溫泵中使用的活性炭具有非常大的氫氣吸附能力，并且當(dāng)在超高真空中運(yùn)行時(shí)，由于氫氣的排氣量非常小， 因此氫氣的吸附平衡壓力Pa也可以忽略不計(jì)。 (例如，U8H（SH2O=2700 L/s）在1.3X10-8Pa下連續(xù)運(yùn)行1個(gè)月氫氣的吸附量為 Q=1.3×10-8x2700×30x24×3600=91 Pa 因此，低溫泵的極限壓力由導(dǎo)入低溫泵的氣體量與排氣速度決定。通常，低溫泵單體的極限壓力會(huì)通過低溫泵上使用盲法蘭時(shí)，低溫泵最小氣體流入量來測量。另外，極限壓力會(huì)根據(jù)低溫泵的規(guī)格（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和超高真空規(guī)格），粗抽壓力，是否烘烤等而有巨大的差異。通常在有O-RING，粗抽40Pa，無烘烤的的情況下，12小時(shí)運(yùn)行的極限壓力為(1～4)X10-6Pa。圖6-7顯示了在有烘烤和沒有烘烤的情況下對(duì)殘留氣體組成的測量。另外，表6-9顯示了單個(gè)低溫泵的極限壓力的參考值。超高真空規(guī)格烘烤的情況下，可獲得10-10TPa的真空。裝置的極限壓力取決于裝置釋放出的氣體量(P=Q/S)。

圖6.蒸氣壓力決定的極限壓力

活性炭對(duì)氫氣的吸附溫度曲線

低溫泵的極限壓力(參考)

規(guī)格

粗抽壓力(Pa)

烘烤

極限(Pa)

標(biāo)準(zhǔn)

40
40    無
(100～150℃)×(3～10h)    (1～4)×10-6
(1～4)×10-7    

超高真空

10-2～10-3
10-2～10-4
10-2～10-3    無
(200～220℃)×(3～8h)
(200～220℃)×約20h    10-8
10-9
10-10    

[低溫泵的基礎(chǔ)知識(shí) 5 ]

冷凍機(jī)的構(gòu)造和冷凍原理

冷凍機(jī)的構(gòu)造和冷凍原理
1.冷凍原理（一般說明用）

圖1.冷凍原理

用于低溫泵的代表性的冷凍循環(huán)為
(1) Gifford-McMahon循環(huán)（G-M循環(huán)）
(2) Modified-Solvay循環(huán)（M-Solvay循環(huán)）

2.低溫泵所使用的冷凍循環(huán)
CRYO-U8H為例來說明低溫泵的結(jié)構(gòu)。
低溫泵的冷凍機(jī)為2段式，1段具有較大的制冷能力，可以冷卻至80K或更低，2段的制冷能力較小，可以冷卻至10至12K。
15K擋板(1)(冷凝板)和15K擋板(2)(吸附板)安裝在冷凍機(jī)的2段上80K擋板和80K屏蔽桶安裝在制冷能力較大的1段上，防止受到室溫的熱放射(輻射)。

圖2-2為G-M循環(huán)的動(dòng)作原理和P-V線圖（膨脹室的壓力P和容積V之間的關(guān)系）。

2-1.G-M循環(huán)
G-M循環(huán)是由Gifford在20世紀(jì)50年代末開發(fā)的制冷循環(huán)方式，置換器的驅(qū)動(dòng)方式為機(jī)械驅(qū)動(dòng)和利用作業(yè)氣體壓力差驅(qū)動(dòng)。G-M循環(huán)非常高效但驅(qū)動(dòng)速度可能比較慢，另外，內(nèi)部使用的密封件負(fù)荷輕，是一種高可靠性的制冷循環(huán)方式。這里，將對(duì)ULVAC Cryo使用的機(jī)械式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的制冷循環(huán)進(jìn)行說明。

A　置換器在氣缸的最底部。此時(shí)，低壓閥關(guān)閉，高壓閥打開。

　　　　　　　　↓

(a)　氣缸的室溫部分和低溫部分被高壓氣體填充。

　　　　　　　　↓

B　氣缸內(nèi)部變?yōu)楦邏骸?/p>

　　　　　　　　↓

(b)　置換器上拉，室溫的氦氣一邊被蓄冷器冷卻，一邊低溫部分被填充。

　　　　　　　　↓

C　低溫部分面積最大。此時(shí)高壓閥關(guān)閉，低壓閥打開。

　　　　　　　　↓

(c)　低溫泵部分的高壓氣體通過蓄冷器放出。此時(shí)由于Simon膨脹，氣體的問題下降，產(chǎn)生低溫。

　　　　　　　　↓

D　低溫部分壓力。

　　　　　　　　↓

(d)　置換器按下并冷卻，氦氣一邊被蓄冷器冷卻，一邊被轉(zhuǎn)移到室溫部分。

　　　　　　　　↓

返回A，一個(gè)循環(huán)完成。

如同這樣，理想的G-M循環(huán)P-V曲線是正方形的，1個(gè)循環(huán)的周期為t秒的話，理想冷凍能力

Q ideal通過以下公式求得
Q ideal =W/t

實(shí)際的冷凍機(jī)為可獲得15K以下極低溫的2段式構(gòu)造。另外，為了簡化結(jié)構(gòu)，蓄冷器內(nèi)置在了置換器的內(nèi)部，與置換器一體化集成。1段和2段的密封件沒有壓差，密封件的負(fù)荷很輕，使用壽命長可靠性高。

低溫泵 CRYO-U 系列CRYO-U12HSPCRYO-U16CRYO-U16F

UIVac cryo-u12hsp

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格

Wide Variety of Models, ranging from 6" diameter to 30" diameter.

用途：

真空鍍膜、表面分析、半導(dǎo)體加工、濺射鍍膜、離子注入等。

優(yōu)點(diǎn):

創(chuàng)造出其他真空泵不能創(chuàng)造的極純凈真空環(huán)境，能排出所有種類氣體，不需要液氦因而運(yùn)行成本低廉，能在任意方向進(jìn)行安裝，設(shè)計(jì)緊湊輕便，操作簡單，排氣速度遠(yuǎn)高于離子泵、渦輪分子泵等。

CRYO-U12HSP