极高真空液氦冷凝泵原理与组成结构

　　极高真空液氦冷凝泵是指用低温介质液氦将固体表面冷却到低于三相点4.2K时，使三相点高于这一温度的气体分子被冷凝在该低温表面上，从而产生很大抽气作用的泵。其抽气过程基本上是物理吸附机制。

　　1.极高真空液氦冷凝泵一系列显著的特点：

　　①在10-2~10-1 Pa这样一个宽的压力范围内都具有较大的抽速，其比抽速可接近理论抽速。

　　②极限压力低，可达10-2Pa以下。

　　③除氦气外，抽气无选择性。

　　④抽气能力大，抽气量在理论上没有限制。

　　⑤极清洁，真空系统不会受到泵液的污染。

　　⑥能够完全再生。

　　⑦无振动、无噪声、无电磁场干扰等。

　　2.设计一台实际应用的极高真空液氦冷凝泵，首先应该考虑如何克服冷凝氢气的“反常特性”和如何提高泵的工作寿命的问题。

　　(1)因为氢气发生解吸的缘故，氢气的饱和蒸气压偏离克劳修斯一克拉伯龙方程而变高。氢气的解吸是由于低温面吸收了真空系统中较高温度部分的红外热辐射而引起的。冷凝氢气的解吸还与低温面材料有密切关系，在液氦冷凝泵设计时应考虑：

　　①用≤77K的冷障板(须具有最佳气分子／辐射传输比)最大限度减小室温红外辐射传输热量。

　　②用一种理想材料作低温表面，以保证在给定的辐射负荷下冷凝氢气的解吸压最低。降低氢气反常特性的影响。

　　(2)提高泵的工作寿命可以使极高真空液氦冷凝泵具有更高实际应用价值，即一次充入液氦后的消耗时间。由于液氦本身的焓值极低，加之液氦冷凝泵结构较为复杂，若不采取有效的屏蔽和保护措施，液氦的耗量将是十分可观的，其工作寿命只有几小时或几天。这将给使用、操作等带来一系列麻烦。特别是系统长时间连续运转时，由于泵工作寿命的限制，将产生致命的弱点。从提高泵工作寿命的角度来看，主要是减小泵的热负荷、降低液氦的消耗。根据热力学原理，应采取如下措施：

　　①低温抽气表面用涂黑的液氮冷障板加以屏蔽，减小杂散辐射热的影响。

　　②整个液氦冷凝器的周围由表面镀银的液氮容器壁包围着，降低对液氮壁远红外辐射能量的吸收。

　　③在液氦冷凝器内、外圆筒壁之间的夹层里充入一定量的氖气，并加以密封。当夹层温度高于20K时，氖气气化，蒸气压升高，起到一种良好的气体热传导作用，从而能充分利用冷却泵时蒸发的冷氦气的潜热使外筒壁很快冷却；当夹层温度低于20K时，氖气发生凝结并造成夹层空间良好的真空状态，从而能提供所希望的热绝缘以提高夹层的隔热效果。

　　④在液氦冷凝器外壁和液氮容器内壁之间装设一防辐射屏，外侧镀银内侧涂黑，并由蒸发的冷氦气加以冷却，屏的温度可达30K左右，从而大大减小了液氮容器内壁的辐射热负荷。

　　⑤冷凝泵颈管材料应选热传导率低而机械强度高的材料。同时，在设计过程中应尽量减小颈管壁厚而增加其长度，以最大限度地减小固体热传导损失。

　　⑥颈管内壁涂黑，减小室温热辐射的进入。涂黑颈管与完全镜面反射颈管的室温辐射传输量约相差3个数量级之多。

　　3.极高真空液氦冷凝泵的设计按下面的步骤进行：

　　①确定泵的工作压力范围。

　　②根据已知的工作压力范围，确定选用障板的几何形状及数目。

　　③根据给定的气体负荷及障板的流导概率确定单位冷凝抽气面上的抽速(即比抽速)。

　　④根据所要求的抽速，确定抽气表面的面积。

　　⑤根据泵的结构进行低温面的热负荷计算，确定液氦的耗量。

　　⑥根据所要求的工作寿命及液氦耗量确定液氦冷凝器室的容积、形状及几何尺寸。

　　4.极高真空液氦冷凝泵主要由液氦冷凝器、冷障板、中间屏、液氮容器、外容器构成。

　　①液氦冷凝器。液氦冷凝器由底抽气面和内、外圆筒构成，材料为不锈钢，底表面镀银。在液氦冷凝器内、外筒壁之间的夹层里充入压力约50540Pa的氖气，可起到一种“热开关”的作用。随着温度变化，既能使冷凝器外壁很快冷却下来，又能提供最终所希望的真空绝热效果。

　　②冷障板。采用液氮温度下的人字形障板。因为这种障板的气体分子流导和热辐射传输的综合性能比较适合于液氦冷凝泵。其主要作用是能大大减小到达冷凝抽气面的室温辐射量。有助于克服冷凝氢气的反常行为，很大程度降低液氦的损耗，增加障板必然降低泵的有效抽速。

　　③中间屏。在液氦冷凝器外壁与液氮容器内壁之间增设一中间防辐射屏，由蒸发的冷氦气予以冷却，其平衡温度可达30K，远低于液氮温度。能充分利用氦气的冷量，减小辐射引起的液氦损耗，提高泵的使用寿命。

　　④液氮容器。冷障板通过螺钉和该容器底部固定在一起，并且通过热传导使之冷却到所要求的温度。为了进一步减小液氦损耗及抑制氢气的解吸，通过使液氮减压的方法，降低壁表面和障板温度来实现。

　　⑤外容器。外容器亦即泵的最外层筒，由不锈钢制成。由于其壁的内表面处于室温状态，是该泵的主要放气源，因此，在很大程度上决定着泵所能达到的最好真空度。