低溫吸附真空泵（Cryosorption Vacuum Pump，簡稱 “低溫吸附泵"）是利用低溫表面對氣體分子的物理吸附作用實現(xiàn)抽真空的設(shè)備，核心是通過主動降溫構(gòu)建極低溫度的 “吸附界面"，將真空系統(tǒng)中的氣體分子捕獲并固定，從而達到高真空甚至超高真空狀態(tài)。其工作原理可拆解為 “降溫機制"“吸附核心"“氣體捕獲過程" 三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體如下：

一、核心原理：低溫物理吸附的本質(zhì)

低溫吸附泵的核心依據(jù)是氣體分子的熱運動特性與固體吸附劑的表面作用力：

⑴氣體分子的熱運動：常溫下，真空系統(tǒng)中的氣體分子（如 N?、O?、H?O、CO?等）因熱運動具有較高動能，會隨機碰撞器壁并保持 “游離狀態(tài)"，難以被固定；

⑵低溫對分子動能的削弱：當吸附界面溫度降至液氮溫區(qū)（-196℃，77K）或更低（如液氦溫區(qū) 4.2K） 時，氣體分子與低溫表面碰撞后，動能大幅降低，無法克服吸附劑表面的 “范德華力"（物理吸附的主要作用力）；

⑶物理吸附固定：動能減弱的氣體分子會被吸附劑表面 “捕獲"，形成單分子層或多分子層的吸附態(tài)，從系統(tǒng)中 “移除"，最終使系統(tǒng)內(nèi)氣體分子密度持續(xù)降低，達到高真空（通常可達 10??~10?1? Pa）。

二、關(guān)鍵組成與作用：支撐吸附過程的三大模塊

低溫吸附泵的工作依賴 “降溫 - 吸附 - 保冷" 的協(xié)同，其核心組件及功能如下，共同保障吸附過程高效穩(wěn)定：

1. 制冷單元：構(gòu)建低溫環(huán)境

制冷單元是低溫吸附泵的 “動力源"，其作用是將吸附劑溫度降至足以捕獲氣體的低溫，主流制冷方式有兩類：

⑴液氮制冷（被動制冷）：通過向泵內(nèi)的 “冷阱" 注入液氮（沸點 - 196℃），利用液氮的汽化吸熱，將冷阱及附著的吸附劑溫度維持在 77K 左右。成本低、結(jié)構(gòu)簡單，但需定期補充液氮，適合對真空度要求中等（10??~10?? Pa）的場景。

⑵機械制冷（主動制冷）：采用閉式循環(huán)制冷機（如斯特林制冷機、脈管制冷機），通過機械壓縮 - 膨脹循環(huán)產(chǎn)生低溫，可將吸附劑溫度降至 10K 以下（甚至 4K），無需頻繁補充制冷劑，適合超高真空（10??~10?1? Pa）或長期連續(xù)運行場景（如半導體制造、真空鍍膜）。

2. 吸附劑單元：氣體分子的 “捕獲載體"

吸附劑是直接與氣體分子作用的核心，需滿足 “比表面積大、吸附容量高、低溫下吸附能力穩(wěn)定" 的要求，常用類型及特性如下：

⑴活性炭（Activated Carbon）：常用的吸附劑，通過孔隙結(jié)構(gòu)（微孔、介孔）形成超大比表面積（1500~3000 m2/g），對 N?、O?、Ar、CO?等 “非極性 / 弱極性氣體" 吸附能力強，適配液氮溫區(qū)（77K）。

⑵分子篩（Molecular Sieve）：如 13X 型分子篩，孔徑均勻（0.8~1.0 nm），對 H?O、CO?等極性分子吸附選擇性高，常與活性炭搭配使用，避免極性氣體影響其他吸附劑性能。

⑶金屬有機框架（MOFs）：新型吸附材料，比表面積可突破 5000 m2/g，吸附容量更高，且對特定氣體（如 H?、He）的吸附能力優(yōu)于傳統(tǒng)材料，適用于特殊超高真空場景。

吸附劑通常以 “顆粒狀" 或 “涂層狀" 附著在制冷單元的冷阱表面，確保與低溫源緊密接觸，維持穩(wěn)定低溫。

3. 絕熱保冷單元：減少冷量流失

低溫吸附泵的冷量極易通過熱輻射、熱傳導流失，若冷量損失過快，吸附劑溫度升高會導致已吸附的氣體分子 “脫附"（重新釋放到系統(tǒng)中），真空度下降。因此絕熱單元至關(guān)重要：

⑴高真空絕熱層：在 “冷阱（低溫區(qū)）" 與 “泵殼（常溫區(qū)）" 之間設(shè)置夾層，將夾層抽至高真空（10?3 Pa 以下），減少空氣對流帶來的熱傳導；

⑵多層絕熱材料：在夾層內(nèi)包裹多層鋁箔 / 聚酯薄膜（如 50~100 層），利用薄膜的低輻射率（＜0.05）削弱熱輻射傳遞，進一步降低冷量損失。

三、工作流程：從 “抽真空" 到 “再生" 的完整周期

低溫吸附泵的運行并非持續(xù)抽氣，而是 “吸附 - 再生" 的循環(huán)過程，具體流程如下：

1. 吸附階段（抽真空過程）

⑴啟動制冷：通過液氮注入或機械制冷機啟動，將冷阱及吸附劑溫度降至目標低溫（如 77K 或 4K）；

⑵氣體接觸：真空系統(tǒng)中的氣體分子（游離態(tài)）隨熱運動擴散至低溫吸附劑表面；

⑶分子捕獲：氣體分子與低溫表面碰撞后，動能驟降，被吸附劑表面的范德華力固定，形成吸附態(tài)（單分子層優(yōu)先，逐漸累積為多分子層）；

⑷真空維持：隨著吸附劑持續(xù)捕獲氣體分子，系統(tǒng)內(nèi)氣體分子密度不斷降低，真空度逐步提升至目標值（如 10?? Pa），并在吸附劑未飽和前維持穩(wěn)定。

2. 再生階段（吸附劑 “清零"）

當吸附劑達到 “吸附飽和"（無法再捕獲更多氣體分子，真空度開始下降）時，需通過 “再生" 恢復吸附能力，流程為：

⑴停止制冷：關(guān)閉制冷單元，讓吸附劑自然升溫至常溫（或通過加熱輔助升溫）；

⑵氣體脫附：隨著溫度升高，被吸附的氣體分子動能恢復，克服吸附力重新釋放為游離態(tài)；

⑶排氣泄壓：打開泵的排氣閥，將脫附的氣體排出至大氣（或收集處理）；

⑷重新制冷：排氣完成后，再次啟動制冷單元，吸附劑降溫至目標低溫，進入下一輪吸附階段。

四、關(guān)鍵特性：與其他真空泵的核心區(qū)別

低溫吸附泵的獨特性源于其 “物理吸附" 機制，與擴散泵、渦輪分子泵等相比，具有以下優(yōu)勢（也決定了其適用場景）：

l無油污染：全程無機械運動部件，無需潤滑油，適合對 “無油真空" 要求高的場景（如半導體晶圓制造、光學鍍膜）；

l超高真空能力：低溫下對絕大多數(shù)氣體（除 He、H?等極輕分子外）吸附能力強，可輕松達到 10??~10?1? Pa 的超高真空；

l低振動噪聲：機械制冷型雖有輕微振動，但遠低于渦輪分子泵，適合對振動敏感的實驗（如量子物理實驗、精密儀器測試）。

其局限性也源于低溫特性：需定期補充液氮（被動制冷型）或依賴高精度制冷機（成本高），且對 He、H?等小分子吸附能力弱（需搭配其他真空泵聯(lián)用）。

綜上，低溫吸附真空泵的本質(zhì)是 “以低溫為驅(qū)動力，以吸附劑為載體，通過物理吸附實現(xiàn)氣體分子的‘定向移除’"，其工作原理圍繞 “如何穩(wěn)定維持低溫"“如何提升吸附效率"“如何實現(xiàn)吸附 - 再生循環(huán)" 展開，是超高真空領(lǐng)域（尤其是無油場景）的核心設(shè)備之一。

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