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用10K以下的低溫板和吸氣劑(活性炭),冷凝、吸附氣體分子的小型制冷機  5.3.2.5低溫果抽氣系統(tǒng)  低溫泵,可以組成理想的清潔無油的超高真空抽氣系統(tǒng)。這種系統(tǒng)用普通碳鋼真空  泵容器,不經(jīng)姒烤可獲得低于10-Pa的極限壓力。選用不銹鋼真空容器,經(jīng)  300℃、4h高溫除氣,能獲得低于10-8P2a的極限壓力。低溫泵機組的抽氣曲線平  穩(wěn)段很寬(類似于油擴散泵),雖然它也和濺射離子泵一樣,不將被抽氣體排向大  氣而捕集在泵內(nèi),每次抽氣結(jié)束升溫再生時,通過預抽泵可將釋放出的氣體排到大  氣中,因此,它的抽氣容量和壽命都遠大于濺射離子泵。低溫泵機組的抽速從幾百  升到數(shù)十萬升,其應用范圍比濺射離子泵抽氣系統(tǒng)廣泛  ,圖525所示為典型的低溫泵抽氣系統(tǒng)的示意圖。正常工作時,系統(tǒng)不需要前  級泵,只有粗抽和低溫泵再生時需要預抽泵抽除真空容器中的大氣及升溫解吸出的  氣體。真空閥門和低溫泵之間的粗抽管路主要用于低溫泵停止抽氣期間的升溫再  生。對清潔度要求不嚴格的系統(tǒng),可以使用旋片機械泵作為預抽泵。要求絕對無油  的清潔真空環(huán)境,可以采用多級分子篩吸附泵或干式泵機組預抽  (1)低溫泵抽氣系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換壓力  制冷機低溫泵二級冷頭的制冷功率很小(一般小于30W),同時其表面黏附的  吸氣材料的吸氣容量有限,因此原則上低溫泵抽氣系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)換壓力越低越好。  事實上最低轉(zhuǎn)換壓力受限于所選用的預抽泵類型。選用分子篩吸附泵預抽泵,空氣  中不能被分子篩吸附泵抽除的氖分壓約為1.8Pa,即使采用兩級抽氣的分子篩吸附泵,其極限壓力大約在10-1Pa數(shù)量級,此壓力限制了低溫泵抽氣系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)換壓力。選用油潤滑的機械泵,則受機械泵油蒸氣返流的限制。油蒸氣冷凝在吸氣劑表面上,將會堵塞微孔通道,嚴重影響低溫泵對氫、氦等氣體的抽氣作用。因此通常要求油機械泵預抽管道的氣流應處于黏滯流狀態(tài)。一般直徑4~6cm的預抽管

道,限制管道的最低壓力約為10~20Pa.粗管道最低轉(zhuǎn)換壓力應大于克努森數(shù)  0.01的值
低溫泵抽氣系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)換壓力取決于打開高真空閥時低溫泵允許的最大沖擊  氣流、超過時,瞬時猝發(fā)氣體放出的熱量將使冷板溫度上升到不能恢復正常工作狀  態(tài)。一般低溫泵生產(chǎn)廠家會提供泵的最大瞬時“沖擊”氣流Q。對于體積為V的  真空容器,其最高轉(zhuǎn)換壓力p=,由下式確定

(5-17)
考慮到油機械泵返流的影響,小型制冷機低溫泵抽氣系統(tǒng)預抽管道中粗抽空氣  的轉(zhuǎn)換壓力范圍為
15Pa≤pm≤V  (5-18)
(2)系統(tǒng)的啟動和停機
首先啟動制冷機低溫泵(此時高真空閥處于關閉狀態(tài)),通過閥門11用預抽泵抽除低溫泵泵體內(nèi)的大氣,當壓力達到20~15Pa時,關閉閥門11停預抽泵。當?shù)?br /> 冷板達到正常工作溫度后,啟動預抽泵打開預抽閥8對真空容器進行預抽,到達規(guī)定轉(zhuǎn)換壓力時關閉預抽系統(tǒng)并打開高真空閥,低溫泵開始對真空容器進行抽氣。系統(tǒng)到達其本底極限壓力的抽氣時間將由系統(tǒng)的歷史條件、處理工件的出氣  閥門密封件的漏氣速率等因素決定。通常容器內(nèi)壓力抽到工作壓力時,就可以進行工藝處理,不一定需要達到其本底壓力  個工藝周期完成后需要真空容器放入大氣更換工件時,首先關閉高真空閥,  通過真空室放氣閥5放入大氣(最理想的氣體是放入干燥氮氣)。更換工件后,再  用預抽泵抽除放入的氣體,到轉(zhuǎn)換壓力時關閉預抽閥8,停預抽泵,打開超高真空閥4。  停止運轉(zhuǎn)的步驟與啟動程序相反,首先關閉超高真空閥,再切掉制冷機的電  源,停止低溫泵運轉(zhuǎn)。如果系統(tǒng)運轉(zhuǎn)期間抽除的氣量很小,停泵后自然升溫時冷  凝、吸附的氣體全部放出仍不足以使泵體內(nèi)壓力升高到1atm以上,停泵時不需要
啟動機械泵。如果抽除的氣量很多,切斷氮壓機電源的同時就需要啟動預抽機械  泵,將低溫泵冷板解吸的氣體排到大氣中,防止解吸的氣體形成過高壓力引起爆
炸,確保低溫泵的安全  超高真空系統(tǒng)無論是停泵或更換工件,都盡可能避兔放人潮濕大氣。每個工藝  周期停泵時最好放入干燥氮氣,讓系統(tǒng)內(nèi)所有表面在停泵后吸附幾層氮氣分子,能  有效地降低再次啟動時材料的出氣速率,縮短啟動抽氣時間
(3)低溫泵系統(tǒng)特性  20K的低溫表面黏附的活性炭能有效地冷凝吸附氫、氖等氣體,但對氮的抽  氣容量很小,需要抽除大量氮氣的低溫泵,應該使用4.2K的液氮低溫泵,不能用  氣氮低溫泵,液氮低溫泵還具有無振動,無磁場的突出優(yōu)點,可用于與化學分析電  子能譜儀成二次離子質(zhì)譜儀一類的靈敏的表面分析設備,氣體制冷機低溫泵的活塞
運動產(chǎn)生的輕微振動會影響這種設備的正常運轉(zhuǎn),因此,用氣體制冷機時,必須采
用有效的防振措施
當代小型制冷機低溫泵的應用,日益受到重視,這是由于它具有以下突出
優(yōu)點
①制冷機低溫泵的制冷系統(tǒng)可以長期運轉(zhuǎn),因而能實現(xiàn)抽氣系統(tǒng)完全的自
動化
②與濺射離子泵一樣能實現(xiàn)絕對無油(無碳氫化合物)的“清潔”真空,工作壓力范圍和抽氣能力遠大于濺射離子泵
③同樣口徑的抽氣系統(tǒng)中,它的抽速系數(shù)是所有泵中最大的。特別是沒有泵  殼的裸體制冷機低溫泵能直接插入真空容器內(nèi),不受抽氣管道流導的影響。  ④抽速大于10000/s的真空抽氣系統(tǒng),其投資、運轉(zhuǎn)費用均比帶有液氮冷阱  的擴散泵要低
⑤制冷機低溫泵的體積和重量都較小,并且不受安裝方向的限制。運轉(zhuǎn)的可  靠性不亞于擴散泵
由于小型制冷機低溫泵對H2、Ne、He的抽氣容量有限,在某些應用中例如  真空鍍膜生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的H2可能影響它的運轉(zhuǎn)周期。此外,盡量不用于抽除大  量氬氣,若用于抽除大量氨氣時,應采用至少二次光學屏蔽的80K擋板用以冷凝  大量氬氣,減少氨氣進入20K低溫板上吸附劑的概率。否則氬氣會在吸附劑的微  孔表面凝結(jié)成固態(tài)氬,一旦吸氣劑表面覆蓋一層固態(tài)氬,就只有靠固態(tài)氬霜捕集  氫、氮,當氬霜的溫度高于20K時,氬霜就不能捕集氫,必須對低溫泵進行再生  才能恢復泵的抽氣性
(4)低溫泵的再生
當泵冷凝吸附的氣體霜很厚,霜層表面的溫度升高,致使冷凝物的飽和蒸氣壓  過高,影響獲得的真空度或者活性炭的吸附的氣體達到飽和,不論哪種情況發(fā)生  低溫泵就不能正常工作,需要對泵進行再生處理。低溫泵的再生一般可依據(jù)再生溫  度分為部分再生(室溫)和全部再生(高溫烘烤)。若系統(tǒng)全部再生后使用時間不  長,或抽氣量很小,沒有大量的水凝聚的情況下,只需要部分再生,即每個工藝周  期結(jié)束泵停止運轉(zhuǎn)時,低溫冷板吸收泵壁的熱輻射自然升溫至室溫,將吸附的氣體  放出,這種溫度條件下的再生,冷板和吸附劑的表面吸附的氣體并未徹底除氣,再
次啟動時用預抽泵將這些氣體抽除,當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的抽氣性能變壞(預抽時間變長  極限壓力升高、抽速下降等),必須對低溫板、吸附劑加熱烘烤進行全部再生,再  生時間與抽除的氣體成分和使用的歷史情況有關,可根據(jù)設備的運轉(zhuǎn)經(jīng)驗確定,對  多數(shù)低溫泵超高真空系統(tǒng),一般工作2-3個月后就需要全部再生  全部再生的最簡單方法是不斷地充入50~80℃的干燥熱氮氣沖洗置換釋放的  氣體,一般要充洗4~8h,也可直接用室溫沖洗再生,再生過程要長達一晝夜之  久。需要說明的是,室溫干燥氮氣沖洗方法僅適用于活性炭,如果吸附劑為分子  篩,室溫下能全部放出永久性氣體,所吸附的水蒸氣需要150~350℃高溫烘烤再  生至少5h.通常小型制冷機低溫泵用壓緊銦墊片的方法使二級冷頭與低溫板接觸  良好,降低冷頭與低溫板之間的溫差,由于銦的熔點低,不能承受過高的烘烤度  因而制冷機低溫泵不采用分子篩做吸附劑。液氦低溫泵的冷板,一般是釬焊在液氮  低溫管上,允許用150℃以上的高溫烘烤再生方法,可有效地縮短再生時間