冷凝泵的内部构造、工作原理及其维护保养

　　由于低温冷凝泵具有无油, 对所有气体的抽速都较大, 特别是对水蒸汽、H2 等抽速很大, 适应性强, 制冷机低速运行, 且运动部件很少, 有利于长期可靠运行等优点, 因而, 被广泛应用于IC生产工艺中的蒸发、溅射、离子注入、分子束外延以及其它诸如高能粒子加速器、受控热核反应、电真空器件、材料科学、表面分析仪器等领域, 以此来获得清洁的高真空或超高真空。

　　现以CTI Torr-8冷凝泵为例, 简要阐述冷凝泵的内部构造特点、工作原理以及维护保养方面的要点。

1、冷凝泵的内部构造

　　见图1、图2 所示。

1.1、导流板

　　材料: 无氧铜; 温度: 80K (一级冷头温度) ; 结构: 人字纹形, 百叶窗形。主要用来凝缩排除水蒸气(H₂O )、有机物(CO₂) 等的气体分子, 并用来防止热辐射直接进入辐射罩。通常, 在80K温度下, 入射水分子的温度即使在室温, 凝缩系数也接近于1。因此, 水分子几乎全部被凝缩, 所以, 冷凝泵对水的排除是最理想的。

图1　冷凝泵内部构造

1.2、辐射罩

　　材料: 无氧铜; 温度: 80K。辐射罩包裹着冷头,是为了阻挡外来的热辐射。外侧为了反射热辐射, 实施了反射率很高的镍喷涂; 内侧为了阻挡热辐射反射到冷板, 实施了能吸收辐射能的黑化处理涂层。

1.3、冷板

　　材料: 无氧铜; 温度: 15K(二级冷头温度) ; 结构: 9片柱形, 5片锥形。冷板从功能上分为外表面冷凝排除气体部分和内表面活性炭吸附排除气体部分。O₂、N₂、Ar等凝缩性气体分子的绝大部分被挡在冷板外表面, 并在其表面凝缩, 而到达其内表面活性炭的气体分子则极少。H₂分子在冷板外表面不被凝缩而被反射, 从而, 被位与其内表面的活性炭所吸附。

1.4、温度计

　　结构: ① H₂蒸汽压温度计: 依据H2在不同温度时其饱和蒸汽压不同来进行测量转换(目前一般采用此种形式) ; ② 半导体温度计: 热敏二极管。

1.5、一级冷头

　　材料: 无氧铜; 温度: 70～100K, 通常80K。主要用来凝缩水蒸汽。

1.6、二级冷头

　　材料: 无氧铜; 温度: 10～20K, 通常15～20K。主要用来凝缩N₂、O₂、Ar、CO₂等饱和蒸汽压高的气体。

1.7、冷冻机

　　目前, 冷凝泵中所使用的冷冻机有以下三种形式。

　　① G-M循环冷冻机: 最早被用于冷凝泵中的小型极低温冷冻机, 它是根据Gifford和Mcmahon而发明研制, 具有很高可靠性、极低温度的冷冻机。如今也使用的很广泛。

　　②Modified Solvay循环冷冻机: 严格地说, 在热力学上与G-M循环不一样, 但在实际上也可以看作是用在气压驱动机构上的G-M循环冷冻机。

　　③ Sterling循环冷冻机: 是容压缩和膨胀为一体的冷冻机, 在冷凝泵中一般作为最大型机种来使用, 但目前基本上不使用。

1.8、活塞连杆

　　材料: 黄色夹布胶木。

1.9、蓄冷器

1.9.1、一级蓄冷器　材料: 黄铜网

1.9.2、二级蓄冷器　材料: 铅丸。

　　其作用为: ① 当活塞杆往上死点运动中(膨胀室容积逐渐增大),高压/进气阀打开,蓄冷器冷却进入膨胀室He气。②当活塞杆往下死点运动中(膨胀室容积逐渐减小),低压/排气阀打开,蓄冷器储备冷量,冷冻冷头。