Máy bơm lạnh là máy bơm chân không sử dụng bề mặt có nhiệt độ thấp để ngưng tụ khí, còn được gọi là máy bơm ngưng tụ. Máy bơm lạnh là máy bơm chân không có áp suất cuối cùng thấp nhất và tốc độ bơm cao nhất để thu được chân không sạch. Nó được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và sản xuất chất bán dẫn và mạch tích hợp, cũng như nghiên cứu chùm phân tử, thiết bị phủ chân không, dụng cụ phân tích bề mặt chân không, máy cấy ion và mô phỏng không gian. thiết bị, v.v.
Nguyên tắc bơm được trang bị một tấm lạnh được làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp bằng helium lỏng hoặc tủ lạnh trong máy bơm lạnh. Nó ngưng tụ khí và giữ áp suất hơi của chất ngưng tụ dưới áp suất cuối cùng của máy bơm, để đạt được hiệu quả bơm. Các chức năng chính của bơm nhiệt độ thấp là ngưng tụ nhiệt độ thấp, hấp phụ nhiệt độ thấp và thu giữ nhiệt độ thấp.
①Ngưng tụ ở nhiệt độ thấp: các phân tử khí được ngưng tụ trên bề mặt của tấm lạnh hoặc trên lớp khí ngưng tụ, và áp suất cân bằng về cơ bản bằng với áp suất hơi của chất ngưng tụ. Khi bơm không khí, nhiệt độ của tấm lạnh phải thấp hơn 25K; khi bơm hydro, nhiệt độ của tấm lạnh thấp hơn. Độ dày của lớp ngưng tụ chiết xuất và ngưng tụ ở nhiệt độ thấp có thể đạt khoảng 10 mm.
② Hấp phụ ở nhiệt độ thấp: Các phân tử khí được hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ được phủ trên tấm lạnh với độ dày của một lớp đơn phân tử (thứ tự 10-8 cm). Áp suất cân bằng cho quá trình hấp phụ thấp hơn nhiều so với áp suất hơi ở cùng nhiệt độ. Ví dụ, áp suất hơi của hydro ở 20K bằng với áp suất khí quyển, và áp suất cân bằng hấp phụ thấp hơn 10-8 Pa khi than hoạt tính 20K hấp thụ hydro. Điều này làm cho nó có thể thực hiện bơm bằng cách hấp phụ đông lạnh ở nhiệt độ cao hơn.
③Bẫy đông lạnh: Các phân tử khí không thể ngưng tụ ở nhiệt độ khai thác sẽ bị chôn vùi và hấp phụ bởi lớp khí ngưng tụ đang phát triển.
Nói chung, áp suất cuối cùng của máy bơm là áp suất hơi của khí ngưng tụ ở nhiệt độ của tấm lạnh. Khi nhiệt độ là 120K, áp suất hơi của nước đã thấp hơn 10-8 Pa. Khi nhiệt độ là 20K, ngoại trừ heli, neon và hydro, áp suất hơi của các khí khác cũng thấp hơn {{3} } Pa. Tuy nhiên, do nhiệt độ khác nhau của bình chứa được bơm và tấm lạnh đông lạnh, áp suất cuối cùng của bơm cao hơn áp suất hơi của chất ngưng tụ. Đối với bình ở nhiệt độ phòng, với tủ lạnh 20K, áp suất cuối cùng của bơm bằng khoảng 4 lần áp suất hơi của chất ngưng tụ.
Loại máy bơm lạnh được chia thành hai loại: máy bơm lạnh helium lỏng tiêm và máy lạnh lạnh heli khí mạch kín.
①Máy bơm lạnh helium lỏng được bơm vào: Nó chủ yếu bao gồm một bình chứa helium lỏng, thân máy bơm và khoang chứa nitơ lỏng được nối với một vách ngăn. Để giảm mức tiêu thụ helium lỏng, thành ngoài của bình chứa helium lỏng sử dụng tường cách nhiệt hai lớp và được hút chân không ở giữa.
Khi máy bơm được bơm trước đến áp suất 10-6 Pa, nitơ lỏng và heli lỏng được đổ vào nó và khí ngưng tụ trên tấm làm việc lạnh 4,2K. Sau khi bơm trước, áp suất riêng phần của heli và hydro theo thứ tự 10-12 Pa, vì vậy máy bơm có thể đạt được áp suất cuối cùng dưới 10-11 Pa. Nếu bình chứa heli lỏng được hút chân không và giải nén thành 6650 Pa, nhiệt độ của helium lỏng có thể giảm xuống 2,3 K và có thể thu được áp suất giới hạn thấp hơn.
②Bơm đông lạnh của tủ lạnh khí heli mạch kín: Đây là một loại bơm đông lạnh mới xuất hiện vào những năm 1970 (hình). Máy bơm này không tiêu thụ heli, dễ vận hành, dễ bảo trì và ngày càng được sử dụng nhiều hơn. Môi trường làm lạnh của tủ lạnh là khí heli, nhiệt độ của tấm lạnh sơ cấp là 50-100K, dùng để ngưng tụ hơi nước và làm lạnh sơ bộ các loại khí khác; nhiệt độ của tấm lạnh thứ cấp là 10-20K, được sử dụng để ngưng tụ nitơ, oxy và argon và các loại khí khác.
Bề mặt bên trong của tấm lạnh thứ cấp được phủ một lớp than hoạt tính. Diện tích bề mặt cụ thể của than hoạt tính là 500-2500 m2/g và nó có khả năng hấp phụ mạnh đối với heli, neon và hydro ở nhiệt độ thấp. Tấm lạnh được làm bằng đồng không có oxy và bề mặt được đánh bóng đến mức gương để giảm độ phát xạ. Áp suất cuối cùng của máy bơm là 10-7 ~ 10-8 Pa, phạm vi áp suất làm việc là 10-1 ~ 10-7 Pa và áp suất trước khi bơm được yêu cầu là 1 Pa .
Tốc độ bơm của thành phẩm đã đạt tới 60,000 lít/giây (1 lít=10-3 m3). Ngoài ra, theo đặc điểm của quy trình, tấm lạnh hút khí có thể được bố trí trong bình chứa bơm và tốc độ hút khí có thể đạt hơn 106 lít / giây.
Tải nhiệt thấp Tải nhiệt của bơm dầu chủ yếu là nhiệt ngưng tụ của khí và nhiệt tỏa ra của thành xung quanh đối diện với tấm lạnh làm việc. Nhiệt ngưng tụ có liên quan đến loại khí. Đối với nitơ ở 80K và 133,322 Pa lít, nhiệt ngưng tụ trên tấm lạnh 20K là 0.3-0.6 joules.
Nhiệt bức xạ mà tấm làm việc lạnh nhận được tỷ lệ thuận với chênh lệch giữa nhiệt độ bậc 4 của tấm tường xung quanh và nhiệt độ của tấm làm việc lạnh. Do đó, các tấm lạnh làm việc 4,2K và 20K được che chắn bằng các tấm lạnh 50-100K để giảm nhiệt bức xạ mà các tấm lạnh làm việc nhận được.