利用低温表面冷凝气体的真空泵﹐又称冷凝泵。低温泵是获得清洁真空的极限压力最低﹑抽气速率最大的真空泵﹐广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产﹐以及分子束研究﹑真空镀膜设备﹑真空表面分析仪器﹑离子注入机和空间仿真装置等方面。

抽气原理 在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。它使气体凝结﹐并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力﹐从而达到抽气作用。低温抽气的主要作用是低温冷凝﹑低温吸附和低温捕集。

低温冷凝﹕气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上﹐其平衡压力基本上等于冷凝物的蒸气压。抽空气时﹐冷板温度必须低于 25K﹔抽氢时﹐冷板温度更低。低温冷凝抽气冷凝层厚度可达10毫米左右。

低温吸附﹕气体分子以一个单分子层厚 (10-8厘米数量级)被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上。吸附的平衡压力比相同温度下的蒸气压力低得多。如在 20K时氢的蒸气压力等于大气压力﹐用 20K的活性炭吸氢时吸附平衡压力则低于10-8 帕。这样就可能在较高温度下通过低温吸附来进行抽气。 低温捕集﹕在抽气温度下不能冷凝的气体分子﹐被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。

一般说来﹐泵的极限压力就是冷板温度下的被冷凝气体的蒸气压力。图1 气体的蒸气压力-温度曲线 为某些气体的蒸气压力 -温度关系曲线。从图中可以看出温度为120K时﹐水的蒸气压已低于10-8帕。温度为20K时﹐除氦﹑氖和氢外﹐其它气体的蒸气压也低于10-8帕。但由于被抽容器和低温冷板的温度不同﹐泵的极限压力高于冷凝物的蒸气压。对于室温下的容器﹐低温板为20K时﹐泵的极限压力约为冷凝物蒸气压力的4倍。

类型 低温泵分为注入式液氦低温泵和闭路循环气氦制冷机低温泵两种。 注入式液氦低温泵﹕主要由液氦容器﹑泵体和连接挡板的液氮腔体等部分组成(图2 注入式液氦低温泵 )。为了减少液氦消耗﹐液氦容器的外壁采用双层保温壁并在其间抽成真空。当泵被预抽到10-6 帕压力时灌入液氮和液氦﹐气体凝结在4.2K的工作冷板上。经预抽使氦氢分压到10-12帕数量级﹐故泵可获得10-11帕以下的极限压力。如果把液氦容器抽真空减压到6650帕﹐液氦温度可降到2.3K﹐则可得到更低的极限压力。