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冷凝泵机械结构及工作原理
一、简介

冷凝泵工作原理是通过冷凝或者俘获分子来实现真空。它由一些低温的表面（-193oC- -255）来冷凝气体分子。另外，冷凝泵也通过带有活性炭的表面吸收不能被冷冻的气体分子。

一. 冷凝泵机械结构
1.压缩机
将氦气压缩之后送到冷冻机里
2.冷冻机
使被压缩的氦气在冷冻机里膨胀，冷却作用
3.泵壳
泵体内（挡板处）将气体凝固，使气体被吸空获得真空
上述的三个系统组成一个整体的冷凝泵系统运转。　

二、冷凝泵机械部件结构及功能

一．导流板
材料: 无氧铜;
温度: 80K(一级冷头温度)
结构: 人字纹形,百叶窗形。
功用：1.凝缩排除水蒸汽（H2O），有机物（CO2）
2.防止热辐射进入辐射找

二． 辐射罩
材料: 无氧铜
温度: 80K。
功用：1.辐射罩包裹着冷头
2.阻挡外来的热辐射，外侧为了反射热辐射，因为实施了反射率很高的镍喷涂，内侧 为了阻挡热辐射反射到冷板,实施了能吸收辐射能的黑化处理涂层。

三． 冷板
材料: 无氧铜
温度: 15K (二级冷头温度)
结构: 9片柱形, 5片锥形
功用：分为外表面冷凝排除气体部分 和 内表面活性炭吸附排除气体部分
1.O2，N2，Ar等气体分子挡在冷板外表面并凝缩，H2分子在冷板外表面被反射，被活性炭吸附。

四、 温度计
结构：1.H2蒸汽压温度计
2.半导体温度计

五． 一级冷头
材料: 无氧铜
温度: 70～ 100K,通常80K
功用；用来凝缩水蒸汽。

六． 二级冷头
材料: 无氧铜; 温度: 10～ 20K,通常15～ 20K
功用：主要用来凝缩N2、O2、Ar、CO2等饱和蒸汽压高的气体。

七． 冷冻机
目前,冷凝泵中所使用的冷冻机有以下三种形式。
① G-M循环冷冻机: 最早被用于冷凝泵中的
小型极低温冷冻机, 它是根据Gi fford和Mcmaho n
而发明研制,具有很高可靠性、极低温度的冷冻机。
如今也使用的很广泛。
② Modified Solv ay 循环冷冻机: 严格地说,在
热力学上与G-M循环不一样,但在实际上也可以看
作是用在气压驱动机构上的G-M循环冷冻机。
③ Sterling 循环冷冻机: 是容压缩和膨胀为一
体的冷冻机,在冷凝泵中一般作为最大型机种来使
用,但目前基本上不使用。

八． 黄色连杆
材料: 黄色夹布胶木。

九． 蓄冷器
一级蓄冷器　材料: 黄铜网
二级蓄冷器　材料: 铅丸。

其作用为: ① 当活塞杆往上死点运动中(膨胀
室容积逐渐增大) ,高压/进气阀打开,蓄冷器冷却进
入膨胀室He气。②当活塞杆往下死点运动中(膨胀
室容积逐渐减小)

二． 工作原理
1.基本原理(以G-M循环冷冻机为例)

驱动He气通过压缩机的压缩后,以高压形态
供给冷冻机,将蓄冷器和气缸的室温侧连在一起,借
助切换阀接在He气压缩机的高压与低压侧。此外,
再将蓄冷器和气缸切换到低温侧,气缸内有一个活
塞连杆,借助曲柄连杆机构上下移动。为使G-M循
环冷冻机更小型化紧凑化,在活塞杆内采用了蓄冷
器构造(如图2所示)

用活塞密封被隔气缸内的压缩气体,通过活塞
的上下移动,使里面的被隔气体膨胀,就可使其吸收
外部的热量。如果,从外部传入的热量较少或者根本
没有,处于断热状态,气体本身就会降温。
这种吸收外部热量下降自身温度的过程,从能
量守恒的角度来分析,正好与活塞对外做的功相等。
这就是制冷的基本原理。

① 活塞杆在低温侧状态时, 高压侧的阀门打
开。那么,膨胀室(气缸的低温侧)的容积和压力变
化,是从A— B的移动( P— V曲线图)。
② 高压侧的阀门仍处于开启状态,活塞杆向室
温侧移动。由室温侧通过蓄冷器的He气被变为低
温气体,向膨胀室移动( B— C的移动)。
③ 低压侧的阀门打开,高压侧阀门关闭。膨胀
室内的He气在移动过程中,一边膨胀一边通过蓄
冷器。此时,就产生了冷冻( C— D的移动)。
④ 残留的低压He气,在活塞杆的作用下返回
到压缩机的低压侧( D— A的移动)。
冷凝泵的整个工作过程为: 膨胀、吸热、制冷。压
缩机的整个工作过程为: 压缩、放热、冷却。

3.低温环境的形成
① 低温凝缩(冷凝)
冷凝温度
气体种类
80K　
水等
20K
N 2、O 2、A r、CO 2 等
如表格所示 , 除He、H2、N e 以外的所有气体, 由于其饱和蒸汽压低, 故会被液化, 冷冻在一、二级冷头上。通过对泵的再生, 借助前级泵而排出泵体。

如蒸汽压曲线所示(略) ,除He、H2、Ne以外的
所有气体,由于其饱和蒸汽压低,故会被液化,冷冻
在一、二级冷头上。通过对泵的再生,借助前级泵而
排出泵体。
② 低温吸附
由于He、H2、Ne在10K时, 饱和蒸汽压也很
高。而在冷凝泵可能达到的温度10～ 20K时,亦不
能被液化冷冻,只有依靠活性碳的吸附作用来加以
吸附,而达到排气的目的。