極高真空液氦冷凝泵原理與組成結(jié)構(gòu)
發(fā)布時間：2015年08月04日 09:13 閱讀：6497
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澤德
極高真空液氦冷凝泵是指用低溫介質(zhì)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(chǎn)生很大抽氣作用的泵。其抽氣過程基本上是物理吸附機(jī)制。
①在10-2~10-1 Pa這樣一個寬的壓力范圍內(nèi)都具有較大的抽速，其比抽速可接近理論抽速。
②極限壓力低，可達(dá)10-2Pa以下。
③除氦氣外，抽氣無選擇性。
④抽氣能力大，抽氣量在理論上沒有限制。
⑤極清潔，真空系統(tǒng)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(shè)計一臺實際應(yīng)用的極高真空液氦冷凝泵，首先應(yīng)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(fā)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(tǒng)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(guān)系，在液氦冷凝泵設(shè)計時應(yīng)考慮：
①用≤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(fù)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(yīng)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若不采取有效的屏蔽和保護(hù)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(tǒng)長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)時，由于泵工作壽命的限制，將產(chǎn)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(fù)荷、降低液氦的消耗。根據(jù)熱力學(xué)原理，應(yīng)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(yuǎn)紅外輻射能量的吸收。
③在液氦冷凝器內(nèi)、外圓筒壁之間的夾層里充入一定量的氖氣，并加以密封。當(dāng)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(dǎo)作用，從而能充分利用冷卻泵時蒸發(fā)的冷氦氣的潛熱使外筒壁很快冷卻；當(dāng)夾層溫度低于20K時，氖氣發(fā)生凝結(jié)并造成夾層空間良好的真空狀態(tài)，從而能提供所希望的熱絕緣以提高夾層的隔熱效果。
④在液氦冷凝器外壁和液氮容器內(nèi)壁之間裝設(shè)一防輻射屏，外側(cè)鍍銀內(nèi)側(cè)涂黑，并由蒸發(fā)的冷氦氣加以冷卻，屏的溫度可達(dá)30K左右，從而大大減小了液氮容器內(nèi)壁的輻射熱負(fù)荷。
⑤冷凝泵頸管材料應(yīng)選熱傳導(dǎo)率低而機(jī)械強(qiáng)度高的材料。同時，在設(shè)計過程中應(yīng)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(dǎo)損失。
⑥頸管內(nèi)壁涂黑，減小室溫?zé)彷椛涞倪M(jìn)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(shù)量級之多。
3.極高真空液氦冷凝泵的設(shè)計按下面的步驟進(jìn)行：
①確定泵的工作壓力范圍。
②根據(jù)已知的工作壓力范圍，確定選用障板的幾何形狀及數(shù)目。
③根據(jù)給定的氣體負(fù)荷及障板的流導(dǎo)概率確定單位冷凝抽氣面上的抽速(即比抽速)。
④根據(jù)所要求的抽速，確定抽氣表面的面積。
⑤根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行低溫面的熱負(fù)荷計算，確定液氦的耗量。
⑥根據(jù)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(gòu)成。
①液氦冷凝器。液氦冷凝器由底抽氣面和內(nèi)、外圓筒構(gòu)成，材料為不銹鋼，底表面鍍銀。在液氦冷凝器內(nèi)、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(guān)”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。
②冷障板。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(dǎo)和熱輻射傳輸?shù)木C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(dá)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(nèi)壁之間增設(shè)一中間防輻射屏，由蒸發(fā)的冷氦氣予以冷卻，其平衡溫度可達(dá)30K，遠(yuǎn)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。
④液氮容器。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(dǎo)使之冷卻到所要求的溫度。為了進(jìn)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(xiàn)。
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(nèi)表面處于室溫狀態(tài)，是該泵的主要放氣源，因此，在很大程度上決定著泵所能達(dá)到的最好真空度。
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