低温泵在超高真空炉中的应用实例

十多年前开始在真空电子技术相关工艺设备中应用低温泵、干泵无油系统来获得超高真空，效果满意。这次尝试将低温泵快速、洁净和可靠的优势应用到真空炉中。将低温泵并入真空系统中，达到清洁的超高真空环境。本文以实例介绍了低温泵在超高真空炉中的应用； 重点介绍了低温泵真空系统的设计思路，真空系统的主要配置和注意事项，低温泵的选型计算，并用图示方法详细介绍了低温泵系统的安装、使用和维护等环节。对同类真空炉的研发和低温泵的应用都有参考价值。通过严格把关各研发环节，按照超高真空规范进行清洗，除气和烘烤，*后真空炉的极限压力达到了2 × 10^-7Pa，将常规的真空炉极限压力延伸了近一个数量级。近年来无油真空泵在半导体行业为代表的领域被引进并广泛应用。从而低温泵+ 干泵为代表的无油超高真空获得系统在半导体电子技术、光学镀膜系统和航空航天领域得到了广泛推广。

通过低温介质将抽气面温度降低到20 K 以下，抽气面就可以冷凝沸点温度较低的气体，从而抽出大量的气体。这种利用低温抽气面将气体冷凝的抽气泵叫低温泵，或冷凝泵。是利用低温介质降低表面温度后将气体冷凝、吸附或是冷凝+ 吸附，将被抽空间的压力降低，而获得真空或维持真空状态的装置。

作为完整的抽气系统，低温泵由两部分组成，主体为真空泵体，**部分为压缩机。现在得到广泛应用的都是制冷机式低温泵，其核心是低温制冷机。工作基本流程为：氦气首先被压缩到高温高压状态；再通过热交换器被冷却为常温氦气；经纯化后的高纯氦气*后经汽缸完成绝热膨胀，变成低温氦气。如此不断循环，氦气被不断降温，成为制冷介质—低温氦气。

选择低温泵的优势有：

①洁净，纯无油，抽气范围宽，可快速获得理想的超高真空环境；

②与口径相同的其它真空泵相比，低温泵有更大的抽速，尤其抽出水蒸汽的能力；

③对被抽气体无选择，杂质颗粒而不影响系统工作；

④可以任意角度安装，没有运动部件，不需要前级泵，运行和维护成本低；

⑤暴露大气对系统影响小，压缩机断水后可以自保护，所以可以实现无人值守。

真空系统的设计

真空炉选用低温泵系统，*大的问题就是解决热负载。真空炉中的热负载主要来自于三方面：

①来自炉体侧的热辐射；

②粘滞流状态下，气体分子携带走热量；

③来自泵口管道的热传导和辐射热量。

低温泵工作在分子流状态下，热源②可忽略。热源③可以通过增加水冷结构消除。设计时主要考虑来自炉体的热负载对低温泵的影响。真空炉内选择多层金属反射屏。真空炉*高加热温度为1300℃，共设计6 层反射屏，内3 层选钼屏，其余各层选不锈钢反射屏。理论上加热器通过辐射到达容器壁的温度约200℃，温度随着时间会慢慢升高。多数情形，低温泵可装个90°弯头，以避免与真空室直通，这就进一步减少了传给泵的热负载，这也是减少热辐射*简单有效的方法。在分子流状态下，弯头对流导的影响可忽略，对超高真空系统而言比挡板更有效。为了进一步减少泵口管道热传导热和辐射对低温泵的影响，在弯头管道上设计了水冷结构。真空系统结构图如图1。