用制冷機(jī)低溫泵獲得清潔無油高真空
1、前言
制冷機(jī)低溫泵是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一種新型抽氣設(shè)備，具有無污染、抽速較大、運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)外已大量生產(chǎn)并在半導(dǎo)體微電子技術(shù)、新型材料科學(xué)、光學(xué)和裝飾類鍍膜以及空間環(huán)境模擬設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來由于航天器地面模擬試驗(yàn)對(duì)環(huán)境污染的要求逐步提高，空間模擬器均改為低溫泵作為主抽泵的“潔凈”真空容器。
2、制冷機(jī)低溫泵
2.1、制冷機(jī)低溫泵的工作原理
早在1908 年萊登大學(xué)翁納斯教授就成功地液化了氦氣，相繼得到比77K更低（如20K,15K,7K,甚至于更低）的表面溫度。利用氣體在低溫表面產(chǎn)生的低溫冷凝、低溫吸附和低溫捕集等物理現(xiàn)象，可獲得和保持高真空和超高真空。低溫泵就是利用這一原理建造的一種抽氣裝置。低溫泵的低溫吸附表面（或抽氣表面）材料通常是比表面積大的活性炭、分子篩等，冷到20 K 的表面，氣體的蒸汽壓可低到10-7Pa。
小型制冷機(jī)低溫泵采用兩級(jí)制冷的氦封閉循環(huán)制冷機(jī)，如：GM循環(huán)制冷機(jī)，或斯特林（Stirring）循環(huán)制冷機(jī)。GM 循環(huán)制冷機(jī)的工作原理是由吉福特（ Gifford ）和麥克馬洪（McMahon）于1959 年提出的，其基本流程為：氦氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮為高壓高溫氣體；經(jīng)過熱交換器冷卻為高壓常溫氦氣；經(jīng)油分離器、油吸附器后成為高純度氦氣；再由進(jìn)氣閥進(jìn)入制冷機(jī)汽缸絕熱膨脹做功后，變?yōu)榈蜏睾猓辉俳?jīng)排氣閥流入壓縮機(jī)；從而形成封閉循環(huán)[1，2] 。如此反復(fù)循環(huán)，氦氣溫度不斷降低，最終達(dá)到制冷目的。
2.2、制冷機(jī)低溫泵的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
制冷機(jī)低溫泵的泵體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。兩級(jí)制冷機(jī)冷頭通過法蘭直接插入到泵殼內(nèi)。屏蔽板及入口障板與制冷機(jī)一級(jí)冷頭相連，工作溫度在70～80 K。屏蔽板除可以冷凝抽除水及二氧化碳等，主要是為低溫抽氣板提供隔熱屏蔽。屏蔽板頂端或側(cè)壁裝有障板，向著低溫板的一面涂（鍍）黑，外面鍍銀拋光，用以降低二級(jí)冷頭的熱負(fù)荷。主抽氣低溫板用銦墊片連接到制冷機(jī)二級(jí)冷頭上，外表面鍍銀拋光，內(nèi)壁粘活性炭。低溫板工作溫度低于20 K（通常為14～15 K），能大量冷凝吸附除氫、氦、氖以外的其他常見氣體。低溫活性炭用以吸附氫、氦、氖等難凝氣體[3] 。
圖1 制冷機(jī)低溫泵的結(jié)構(gòu)圖
制冷機(jī)低溫泵的主要特點(diǎn)有：
(1) 與相同口徑的其它泵比較，低溫泵具有非常大的抽速，對(duì)水蒸汽的抽速極大；
(2) 無碳?xì)浠衔锏奈廴荆梢杂脕懋a(chǎn)生潔凈的高真空和超高真空；
(3) 在泵體內(nèi)沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，因此能夠承受大氣流的沖擊、粉塵和顆粒及來自系統(tǒng)的震動(dòng)；
(4) 基本上可以抽除所有種類的氣體；
(5) 可以在任意位置安裝，操作簡(jiǎn)便，具有很低的操作成本。
3、制冷機(jī)低溫泵在世界各國(guó)空間環(huán)境模擬器上的應(yīng)用
小型制冷機(jī)低溫泵在空間模擬器上的應(yīng)用最早始于美國(guó)。早在1966年以前，波音公司改造A容器時(shí)，就研制了20K溫度下1～2W冷量的氦制冷機(jī)，并做成低溫泵以輔助大型濺射離子泵和鈦升華泵抽氣。當(dāng)歐聯(lián)ESTEC 采用斯特林循環(huán)的氦制冷機(jī)構(gòu)成低溫泵并改造5 臺(tái)設(shè)備成功之后，美國(guó)高真空設(shè)備公司立即采用更好的GM 循環(huán)氦制冷機(jī)，研制了88.9 cm（35 inch）和121.92 cm（48 inch）兩種口徑的大泵。到1987 年底，該公司已生產(chǎn)了88.9cm 泵22 臺(tái)，121.92cm 泵27臺(tái)，應(yīng)用于十幾家大型空間環(huán)模設(shè)備中，其中包括加拿大和印度研制的大型空間環(huán)模設(shè)備。表1 是世界上主要空間環(huán)模設(shè)備的基本技術(shù)指標(biāo)和真空泵的配備情況。
表1 國(guó)外主要環(huán)模設(shè)備的概況
