低温真空泵选型依据及选型步骤

目录

1、抽气速度（抽速）

2、低温泵的工作真空度范围

3、最大流量及抽氩问题

4、低温泵的抽气能力（抽气容量）

5、低温泵中制冷机的热负荷

6、低温泵的选型步骤

低温泵生产厂家对低温泵型号的命名各不相当，没有统一的规定，但其规格基本上都 是以口径来定。对低温泵的选型，主要思考：抽气速度、使用的真空范围、气体的最大通 导、抽气容量、制冷机热负荷等。

1、抽气速度（抽速）

低温泵设计者一般对抽气速度最感兴趣，气体由于所具有的热能（等于动能）而流入 真空泵，由此可得出如下关系式：气体进入泵开口的平均速度等于气体常数乘以温度，再 除以2π乘气体分子量的平方根，这样低温泵的理想抽速就等于平均速度乘以气体可以流过 的泵口面积。

由于多数真空系统工作在室温， 我们设想理想速度基于室温。这样一 种分子的速度仅仅由分子重量决定， 较轻的气体具有较大的速度，氢的分 子重量是2，通过每平方厘米开口面 积上的抽速为44.6L/S。水分子量为 18，理想抽速为14.9 L/S㎝2，而氮 为这组中最重的为28，它的理想抽速为11.98 L/S ㎝2。

如果所有碰到泵口迎面上的气体分子都冷冻在百叶窗上的话，就实现了理想抽速。事 实上，水就达到了这一点，几乎所有碰到泵表面的水分子都粘在了百叶窗表面而不返弹回 去。像 N2 这类气体必须穿过百叶窗冷冻在内部冷板上，一部分分子返弹回去，其余的部分 穿过去冷冻在内部冷板上，为了有效阻挡辐射热到达内部冷板，低温泵有入口百叶窗，它允许大约40%～25%的空气分子（O2 和N2 ）流过它冰冻结在冷板上。这样，对N2 的净抽速是 理想抽速的25%－40%或3.0－4.8 L/S㎝2，Ne、H2、 He要走过更曲折的道路才能到达活性 炭部位，结果只有约12%－20%的到达泵口表面的H2 分子被低温吸附了，其余将弹回，所以 H2 的净抽速约为理想抽速的12%－20%或5.6－8.9 L/S㎝2。

2、低温泵的工作真空度范围

低温泵典型的工作真空范围为1×10-3－1×10-9Pa。这一范围内气体是自由分子流区， 这意味着它们一般从一个壁面运动到另一壁面而相互之间不发生碰撞。在这一区域抽速是 常数。随着抽气压力增加进入到大于1×10-3托的转变区，抽速增加了，与扩散泵相比，低 温泵具有在这一区域内抽速增大的特性，而扩散泵的抽速减少。

3、最大流量及抽氩问题

Throughput 或 Max. Throughput 意思低温泵的“最大流量”，指某低温泵对某种气体的最 大质量抽速（容许放进真空泵的某气体的最大质量流量），超过这个量就会使低温泵的制冷 机温度升高到超过20K而不能工作。

最大流量和“切换值”分别说明在低温泵工作过程中和刚打开主阀时低温泵能容忍的 气体流量。它们的含意是一样的。由于溅射台工作时放氩气进工作室是常有的情况，而且 有可能造成因氩流量太大使低温泵升温过大，所以我们常常规定出低温泵对氩的最大流量 值。

最大流量经验值为： (1.5—3)Q （托 升/秒） Q为制冷机20K时制冷量（瓦）

4、低温泵的抽气能力（抽气容量）

低温泵能够聚集大量的固态水、空气、氩、氮和氧，然后再蒸发除霜。在这些霜层形 成时，泵的抽速很少降低，制冷温度变化也很少，随着霜层增加到必定程度，抽速和温度 都会有明显变化。水被聚集在障板上直到堵掉一半的障板面积（例如：一个φ200口径的低 温泵可凝聚300克水蒸气成冰）。固体氮和氩聚集在低温板的外层达几个厘米，一般这个厚度仅受到不能挨到辐射屏的限制。（例如：一个φ200口径的泵在低温板外凝聚1㎝厚的空 气或氩，其量为1200标准升。该泵专门用于溅射台，其低温板较大。另一种同样口径的泵 该值仅为350标准升）。能吸收氢的量为对氢抽速减少50%时所聚集的氢平衡压力（一段选 1×10-6托）决定，当抽除其它气体使低温板温度升高时，能吸附氢的量就减少。

抽气容量是指低温泵能抽除（存留）某种特定气体的最大量，单位为托·升，mbar·L 或者std·L。抽气容量由以下因素决定：

1）障板抽水蒸气达到了覆盖一半流通面积；

2）冷板外面凝聚的氮、氩等厚度太大；

3）吸附阵接近饱和。

在这三个因素中，往往是吸附最先达到饱和，由于与冷凝相比，吸附的量要小于冷凝 的量。所以抽气容量主要由吸附决定（主要因素是吸附剂的性能和数量）。

一般抽气容量是指抽速降到初始抽速的一半时抽出的气体的量，这时低温泵需要再生 了，实际中常常是真空度不够好和制冷温度超过20K时进行再生。

5、低温泵中制冷机的热负荷

用在低温泵上的制冷机在没有施加热负荷时，二级最低温度约10K，一级最低温度35K。 随着施加的热负荷增加，每一级上的温度增大。例如给某制冷机加9W的热负荷将使冷头温 度达20K，一级上加17W的热负荷使其温度达77K。我们把低温冷板标称温度定为在正常工 作时二级温度约 12K，一级温度约 60K－65K。这样就对未预先思考到的来自真空室的热负 荷或由于大的气体流速下增加的热负荷留有必定的余量。上述制冷机冷量分别为5W/12K和 12W/60K。

冷板的热负荷来自以下三个方面：

1.从真空室来的热辐射；

2.由于气体从室温下被冷却并被在低温下冷冻所放出的冷凝热；

3.腔内殊余气体的导热。

空气的导热系数（大于1托压力时基本上是常数）在压力减少到1托以下时减少得很 快。在压力低于1×10-3托（这个区域气体处于分子流区），由于导热引起的传热一般可以忽 略。在低温领域中，它被称为绝热真空。对比一下这时的导热性能与通用的热偶真空计， 它的工作原理是从1×10-3托至1托范围内的热传导系数的变化为基础的。

辐射热是低温泵的主要热负荷，对要承受辐射热的低温泵有两点要求：第一，尽可能 多的反射来自真空室的辐射热；第二，低温泵应该能吸收难以反射掉的辐射热。一些很洁净的电抛光真空室对低温泵辐射热极小，但多数情况是真空室壁面上吸附了水蒸汽后辐射 热量几乎与黑体辐射相等。

由于辐射热是温度的 4 次方的函数。如果在真空室有对低温泵产生辐射的高温热源， 就容易地使低温泵热负荷过大，因而，用水冷挡板来把真空室中的高温热源与低温泵屏蔽 开。低温泵冷板应该抛光良好，在降温过程中就能反射辐射热，但是，一旦薄的水层凝结 在低温表面，就会使表面变成吸收热辐射的热学黑体表面。

在低温泵中由于气体冷凝所产生的热负荷一般很小，但有一个例外的情况是当低温泵 用于在溅射台中抽氩时。冷凝氩产生的热负荷大多数由制冷机二级承担。冷凝1托·升/秒 的氩大约需0.7W冷量。制冷机二级温度随着氩流量的增大而上升。由于一般需要同时把氢 保持在活性炭上，低温泵的流量设定应以低温板温度不大于 20K 为标准（这时的流量为最 大流量）。一般在设定流量时的压力为1×10-3托，如果在溅射镀膜工艺需要更高的氩气压力， 那么就需要在低温泵前安装一个节流阀来把工作压力减少到使进入泵口时压力为 1×10-3 托。

6、低温泵的选型步骤

低温泵选型时，主要遵循以下步骤：

1）计算系统所要求的抽速，选择相对应抽速的低温泵；

2）根据工作时某一气体流量，复核是否超过低温泵允许的通导；

3）根据系统的放气量，计算低温泵的再生周期，看是否满足工艺的要求；

4）查看系统工作时热源是否影响低温泵，必要时从结构上进行改善。