極高真空液氦冷凝泵原理與組成結構
發布時間：2015年08月04日 09:13 閱讀：6347
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澤德
極高真空液氦冷凝泵是指用低溫介質液氦將固體表面冷卻到低于三相點4.2K時，使三相點高于這一溫度的氣體分子被冷凝在該低溫表面上，從而產生很大抽氣作用的泵。其抽氣過程基本上是物理吸附機制。
?、僭?0-2~10-1 Pa這樣一個寬的壓力范圍內都具有較大的抽速，其比抽速可接近理論抽速。
?、跇O限壓力低，可達10-2Pa以下。
③除氦氣外，抽氣無選擇性。
?、艹闅饽芰Υ螅闅饬吭诶碚撋蠜]有限制。
?、輼O清潔，真空系統不會受到泵液的污染。
⑥能夠完全再生。
⑦無振動、無噪聲、無電磁場干擾等。
2.設計一臺實際應用的極高真空液氦冷凝泵，首先應該考慮如何克服冷凝氫氣的“反常特性”和如何提高泵的工作壽命的問題。
(1)因為氫氣發生解吸的緣故，氫氣的飽和蒸氣壓偏離克勞修斯一克拉伯龍方程而變高。氫氣的解吸是由于低溫面吸收了真空系統中較高溫度部分的紅外熱輻射而引起的。冷凝氫氣的解吸還與低溫面材料有密切關系，在液氦冷凝泵設計時應考慮：
?、儆?le;77K的冷障板(須具有最佳氣分子／輻射傳輸比)最大限度減小室溫紅外輻射傳輸熱量。
②用一種理想材料作低溫表面，以保證在給定的輻射負荷下冷凝氫氣的解吸壓最低。降低氫氣反常特性的影響。
(2)提高泵的工作壽命可以使極高真空液氦冷凝泵具有更高實際應用價值，即一次充入液氦后的消耗時間。由于液氦本身的焓值極低，加之液氦冷凝泵結構較為復雜，若不采取有效的屏蔽和保護措施，液氦的耗量將是十分可觀的，其工作壽命只有幾小時或幾天。這將給使用、操作等帶來一系列麻煩。特別是系統長時間連續運轉時，由于泵工作壽命的限制，將產生致命的弱點。從提高泵工作壽命的角度來看，主要是減小泵的熱負荷、降低液氦的消耗。根據熱力學原理，應采取如下措施：
①低溫抽氣表面用涂黑的液氮冷障板加以屏蔽，減小雜散輻射熱的影響。
②整個液氦冷凝器的周圍由表面鍍銀的液氮容器壁包圍著，降低對液氮壁遠紅外輻射能量的吸收。
?、墼谝汉だ淠鲀取⑼鈭A筒壁之間的夾層里充入一定量的氖氣，并加以密封。當夾層溫度高于20K時，氖氣氣化，蒸氣壓升高，起到一種良好的氣體熱傳導作用，從而能充分利用冷卻泵時蒸發的冷氦氣的潛熱使外筒壁很快冷卻；當夾層溫度低于20K時，氖氣發生凝結并造成夾層空間良好的真空狀態，從而能提供所希望的熱絕緣以提高夾層的隔熱效果。
?、茉谝汉だ淠魍獗诤鸵旱萜鲀缺谥g裝設一防輻射屏，外側鍍銀內側涂黑，并由蒸發的冷氦氣加以冷卻，屏的溫度可達30K左右，從而大大減小了液氮容器內壁的輻射熱負荷。
?、堇淠妙i管材料應選熱傳導率低而機械強度高的材料。同時，在設計過程中應盡量減小頸管壁厚而增加其長度，以最大限度地減小固體熱傳導損失。
?、揞i管內壁涂黑，減小室溫熱輻射的進入。涂黑頸管與完全鏡面反射頸管的室溫輻射傳輸量約相差3個數量級之多。
3.極高真空液氦冷凝泵的設計按下面的步驟進行：
①確定泵的工作壓力范圍。
?、诟鶕阎墓ぷ鲏毫Ψ秶_定選用障板的幾何形狀及數目。
③根據給定的氣體負荷及障板的流導概率確定單位冷凝抽氣面上的抽速(即比抽速)。
?、芨鶕蟮某樗伲_定抽氣表面的面積。
⑤根據泵的結構進行低溫面的熱負荷計算，確定液氦的耗量。
⑥根據所要求的工作壽命及液氦耗量確定液氦冷凝器室的容積、形狀及幾何尺寸。
4.極高真空液氦冷凝泵主要由液氦冷凝器、冷障板、中間屏、液氮容器、外容器構成。
?、僖汉だ淠?。液氦冷凝器由底抽氣面和內、外圓筒構成，材料為不銹鋼，底表面鍍銀。在液氦冷凝器內、外筒壁之間的夾層里充入壓力約50540Pa的氖氣，可起到一種“熱開關”的作用。隨著溫度變化，既能使冷凝器外壁很快冷卻下來，又能提供最終所希望的真空絕熱效果。
?、诶湔习?。采用液氮溫度下的人字形障板。因為這種障板的氣體分子流導和熱輻射傳輸的綜合性能比較適合于液氦冷凝泵。其主要作用是能大大減小到達冷凝抽氣面的室溫輻射量。有助于克服冷凝氫氣的反常行為，很大程度降低液氦的損耗，增加障板必然降低泵的有效抽速。
③中間屏。在液氦冷凝器外壁與液氮容器內壁之間增設一中間防輻射屏，由蒸發的冷氦氣予以冷卻，其平衡溫度可達30K，遠低于液氮溫度。能充分利用氦氣的冷量，減小輻射引起的液氦損耗，提高泵的使用壽命。
?、芤旱萜?。冷障板通過螺釘和該容器底部固定在一起，并且通過熱傳導使之冷卻到所要求的溫度。為了進一步減小液氦損耗及抑制氫氣的解吸，通過使液氮減壓的方法，降低壁表面和障板溫度來實現。
⑤外容器。外容器亦即泵的最外層筒，由不銹鋼制成。由于其壁的內表面處于室溫狀態，是該泵的主要放氣源，因此，在很大程度上決定著泵所能達到的最好真空度。
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