低温吸附真空泵的工作原理

低温吸附真空泵（Cryosorption Vacuum Pump，简称 “低温吸附泵"）是利用低温表面对气体分子的物理吸附作用实现抽真空的设备，核心是通过主动降温构建极低温度的 “吸附界面"，将真空系统中的气体分子捕获并固定，从而达到高真空甚至超高真空状态。其工作原理可拆解为 “降温机制"“吸附核心"“气体捕获过程" 三个关键环节，具体如下：

一、核心原理：低温物理吸附的本质

低温吸附泵的核心依据是气体分子的热运动特性与固体吸附剂的表面作用力：

⑴气体分子的热运动：常温下，真空系统中的气体分子（如 N₂、O₂、H₂O、CO₂等）因热运动具有较高动能，会随机碰撞器壁并保持 “游离状态"，难以被固定；

⑵低温对分子动能的削弱：当吸附界面温度降至液氮温区（-196℃，77K）或更低（如液氦温区 4.2K） 时，气体分子与低温表面碰撞后，动能大幅降低，无法克服吸附剂表面的 “范德华力"（物理吸附的主要作用力）；

⑶物理吸附固定：动能减弱的气体分子会被吸附剂表面 “捕获"，形成单分子层或多分子层的吸附态，从系统中 “移除"，最终使系统内气体分子密度持续降低，达到高真空（通常可达 10⁻⁵~10⁻¹⁰ Pa）。

二、关键组成与作用：支撑吸附过程的三大模块

低温吸附泵的工作依赖 “降温 - 吸附 - 保冷" 的协同，其核心组件及功能如下，共同保障吸附过程高效稳定：

1. 制冷单元：构建低温环境

制冷单元是低温吸附泵的 “动力源"，其作用是将吸附剂温度降至足以捕获气体的低温，主流制冷方式有两类：

⑴液氮制冷（被动制冷）：通过向泵内的 “冷阱" 注入液氮（沸点 - 196℃），利用液氮的汽化吸热，将冷阱及附着的吸附剂温度维持在 77K 左右。成本低、结构简单，但需定期补充液氮，适合对真空度要求中等（10⁻⁵~10⁻⁸ Pa）的场景。

⑵机械制冷（主动制冷）：采用闭式循环制冷机（如斯特林制冷机、脉管制冷机），通过机械压缩 - 膨胀循环产生低温，可将吸附剂温度降至 10K 以下（甚至 4K），无需频繁补充制冷剂，适合超高真空（10⁻⁸~10⁻¹⁰ Pa）或长期连续运行场景（如半导体制造、真空镀膜）。

2. 吸附剂单元：气体分子的 “捕获载体"

吸附剂是直接与气体分子作用的核心，需满足 “比表面积大、吸附容量高、低温下吸附能力稳定" 的要求，常用类型及特性如下：

⑴活性炭（Activated Carbon）：常用的吸附剂，通过孔隙结构（微孔、介孔）形成超大比表面积（1500~3000 m²/g），对 N₂、O₂、Ar、CO₂等 “非极性 / 弱极性气体" 吸附能力强，适配液氮温区（77K）。

⑵分子筛（Molecular Sieve）：如 13X 型分子筛，孔径均匀（0.8~1.0 nm），对 H₂O、CO₂等极性分子吸附选择性高，常与活性炭搭配使用，避免极性气体影响其他吸附剂性能。

⑶金属有机框架（MOFs）：新型吸附材料，比表面积可突破 5000 m²/g，吸附容量更高，且对特定气体（如 H₂、He）的吸附能力优于传统材料，适用于特殊超高真空场景。

吸附剂通常以 “颗粒状" 或 “涂层状" 附着在制冷单元的冷阱表面，确保与低温源紧密接触，维持稳定低温。

3. 绝热保冷单元：减少冷量流失

低温吸附泵的冷量极易通过热辐射、热传导流失，若冷量损失过快，吸附剂温度升高会导致已吸附的气体分子 “脱附"（重新释放到系统中），真空度下降。因此绝热单元至关重要：

⑴高真空绝热层：在 “冷阱（低温区）" 与 “泵壳（常温区）" 之间设置夹层，将夹层抽至高真空（10⁻³ Pa 以下），减少空气对流带来的热传导；

⑵多层绝热材料：在夹层内包裹多层铝箔 / 聚酯薄膜（如 50~100 层），利用薄膜的低辐射率（＜0.05）削弱热辐射传递，进一步降低冷量损失。

三、工作流程：从 “抽真空" 到 “再生" 的完整周期

低温吸附泵的运行并非持续抽气，而是 “吸附 - 再生" 的循环过程，具体流程如下：

1. 吸附阶段（抽真空过程）

⑴启动制冷：通过液氮注入或机械制冷机启动，将冷阱及吸附剂温度降至目标低温（如 77K 或 4K）；

⑵气体接触：真空系统中的气体分子（游离态）随热运动扩散至低温吸附剂表面；

⑶分子捕获：气体分子与低温表面碰撞后，动能骤降，被吸附剂表面的范德华力固定，形成吸附态（单分子层优先，逐渐累积为多分子层）；

⑷真空维持：随着吸附剂持续捕获气体分子，系统内气体分子密度不断降低，真空度逐步提升至目标值（如 10⁻⁸ Pa），并在吸附剂未饱和前维持稳定。

2. 再生阶段（吸附剂 “清零"）

当吸附剂达到 “吸附饱和"（无法再捕获更多气体分子，真空度开始下降）时，需通过 “再生" 恢复吸附能力，流程为：

⑴停止制冷：关闭制冷单元，让吸附剂自然升温至常温（或通过加热辅助升温）；

⑵气体脱附：随着温度升高，被吸附的气体分子动能恢复，克服吸附力重新释放为游离态；

⑶排气泄压：打开泵的排气阀，将脱附的气体排出至大气（或收集处理）；

⑷重新制冷：排气完成后，再次启动制冷单元，吸附剂降温至目标低温，进入下一轮吸附阶段。

四、关键特性：与其他真空泵的核心区别

低温吸附泵的独特性源于其 “物理吸附" 机制，与扩散泵、涡轮分子泵等相比，具有以下优势（也决定了其适用场景）：

l无油污染：全程无机械运动部件，无需润滑油，适合对 “无油真空" 要求高的场景（如半导体晶圆制造、光学镀膜）；

l超高真空能力：低温下对绝大多数气体（除 He、H₂等极轻分子外）吸附能力强，可轻松达到 10⁻⁸~10⁻¹⁰ Pa 的超高真空；

l低振动噪声：机械制冷型虽有轻微振动，但远低于涡轮分子泵，适合对振动敏感的实验（如量子物理实验、精密仪器测试）。

其局限性也源于低温特性：需定期补充液氮（被动制冷型）或依赖高精度制冷机（成本高），且对 He、H₂等小分子吸附能力弱（需搭配其他真空泵联用）。

综上，低温吸附真空泵的本质是 “以低温为驱动力，以吸附剂为载体，通过物理吸附实现气体分子的‘定向移除’"，其工作原理围绕 “如何稳定维持低温"“如何提升吸附效率"“如何实现吸附 - 再生循环" 展开，是超高真空领域（尤其是无油场景）的核心设备之一。

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