五、低温泵
低温泵是利用低温(低于100K)表面冷凝和吸附气体来获得和保持真空的泵。
1.低温泵的抽气原理与分类
北方的冬天，在玻璃窗上常结一层霜，这就是低温抽气作用。水蒸汽凝结在0oC以下的玻璃表面上，使空气中水蒸汽的分压强降低了，达到了抽除水蒸汽的目的。同理，如果设法使某一固体表面温度足够低，使其低于空气中主要气体成分的饱和蒸汽压温度，空气中大部份气体被凝结，达到了抽真空的目的。按这种原理抽真空的泵叫低温冷凝泵。
利用低温表面上的吸附剂和打在其上的气体分子发生吸附而达到抽气作用的泵叫作低温吸附泵。根据所用吸附剂不同，又可分为三种类型：1)非金属吸附剂泵：以活性炭、分子筛等为吸附剂。2)金属吸附剂泵：以蒸发或升华在冷面上的钛、钽、铝等金属或其合金为吸气剂。3)气体霜也有类似吸附剂一样的吸气作用，象二氧化碳、水蒸汽等易冷凝的气体，在低温表面上凝结的同时，将不易冷淀的气体(如氦)也一起埋葬或吸附抽除。
如果按供低温介质的方式分类，又可分为贮槽式、连续流动式和闭循环小型制冷机低温泵。
2.低温泵的结构
图6是一种低温冷凝泵。它由三种部件组成，一是由低温介质(液氦)冷却的抽气表面；二是各种形状和温度的辐射屏(图中是人字形障板，液氮温度)；三是泵体。
实际应用的低温泵常将低温冷凝与吸附作用结合起来，构成如图7所示的结卡勾。对各种气体都能抽除。
图8是闭循环小型制冷机低温泵。它由低温泵、压缩机和膨胀机等部份组成。制冷介质氦气由压缩机压缩，经进气管到膨胀机。这时进气阀门打开，膨胀机活塞在专用电机带动下向上运动，使膨胀机下腔充满高压气体。当活塞到达上部顶端时，关闭进气阀，同时打开排气阀，使膨胀机与低压端相通，气体膨胀制冷，活塞向下移动把冷量贮存在活塞内的蓄冷器中。如此多次循环，便在一、二级冷头处分别获得低于80K和20K的低温和所需的制冷功率，并使气体在低温面上凝结，在活性炭上吸附而被抽除。
3.低温泵的特性
1)低温冷凝泵的理论抽速
式中 A为冷却面的面积cm2；Tg为被抽气体温度K；M为被抽气体分子量；R为气体常数。如果抽20oC空气，则Smax= 11.6A(L/scm2)，若冷面为9m2，其最大抽速可达106(L／s)。
2)低温冷凝泵的实际抽速：
从(7)式可见，最大理论抽速与容器中的压强和冷面温度无关，这是不可能的。实际上对低温冷凝泵来说，当被冷凝泵抽除的气体压强等于冷凝物在低温表面温度下的平衡压强时，冷凝泵就失去了抽气能力，抽速为零。因此，泵的实际抽永远小于理论抽速。
(1)被抽气体压强和冷面温度对抽速的影响
式中Pg为被抽气体压强(Pa)；Ps为在冷面温度下，被抽气体的蒸汽压强(Pa)；Ts为冷面温度(K)。
(2)凝结系数对冷凝泵抽速的影响：
Sa= a?Spt(9)
式中 a是凝结系数，其值受很多因素影响。一般由实验确定。例如300K的H2O，打在77K冷面上a=0.92；He打在4.2K5A分子筛上a=0.7；H2打在4.2K铜板上a=0.5～0.75等等。
(3)屏蔽通导对抽速的影响：低温泵为减少低温介质消耗，减轻低温板的热负荷，往往在低温板周围加上辐射屏，这时低温泵的抽速要受到辐射屏流导的影响。
1/Su = 1/Sa + 1/u(10)
式中Su为考虑辐射屏后低温泵的抽速(L／s);u为辐射屏的通导(L／s)；Sa为无辐射屏低温板的实际抽速(L／s)。
(4)凝结层对冷凝泵抽速的影响：冷凝泵在工作一段时间以后，低温表面上将凝结一定厚度的固态气体层。对冷凝泵的抽速有一定影响。其影响主要取决于冷凝层的性质，也就是取决于冷凝层的结构和类型。冷凝层的导热率是冷凝层的类型和结构的复杂函数。如果沉积速率低，冷凝层可以有一个玻璃状外表，凝结层热传导好，对抽速几乎无影响；如果沉积速率高，冷凝层出现类似雪花状结构，热传导不好，会降低抽速，但对捕集非凝结性气体是有利的。
3)低温冷凝泵的极限压强
达到极限压强时，泵的抽速为零。
式中Pg为极限压强(Pa)；Tg为被抽气体温度(K)；Ts为冷凝面温度(K)；Ps为冷凝物上的蒸汽压(Pa)，其值随温度而变化。
低温泵的极限真空度可达l0-3Pa。
4)低温泵的降温时间：降温时间是闭循环小型制冷机低温泵的主要技术指标之一。降温时间与技术水平有关，还要考经济性。目前国内外的产品中，小型泵的降温时间一般不超过90min，大型泵不超过180min。
5)低温泵的工作寿命：
(1)再生寿命：泵使用到必须加热再生的时间。
式中D = ρK (Ts - Tw)；A为冷凝面面积cm2；K`为凝结热J／g；m为凝结量g／s；ρ为凝结物密度g／cm3；Ts为凝结层外表面温度(K)；Tw为冷凝面温度(K)；K为凝结物的热传导率(W／cm?K)。
(2)贮槽式泵的装填寿命：充装一次制冷制所能工作的时间。
t = V / Qv(13)
式中V是装冷剂的容积L；Qv为单位时间制冷剂的耗量L／s。
(3)吸附泵的工作寿命：吸附板两次活化(再生)所间隔的时间。
tmax = Vm /SP(14)
式中V为吸附容量，可根据吸附等温线确定(Pa?L／kg)；m为吸附剂质量(kg)；S为抽速(L／s)；P为泵入口压强(Pa)。
为了在再生时不产生有爆炸危险的混合气体，每m3泵室容积中氢含量不应超过安全界线，通常为1600～6600Pa?m3。一般在泵上都装有安全阀。
