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抽真空的設備，核心是通過主動降溫構建極低溫度的 “吸附界面"，將真空系統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。其工作原理可拆解為 “降溫機制"“吸附核心"“氣體捕獲過程" 三個關鍵環節，具體如下：

一、核心原理：低溫物理吸附的本質

低溫吸附泵的核心依據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"，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（-196℃，77K）或更低（如液氦溫區 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，從系統中 “移除"，最終使系統內氣體分子密度持續降低，達到高真空（通常可達 10??~10?1? Pa）。

二、關鍵組成與作用：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" 的協同，其核心組件及功能如下，共同保障吸附過程高效穩定：

1. 制冷單元：構建低溫環境

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、結構簡單，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 - 膨脹循環產生低溫，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，通過孔隙結構（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（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）的吸附能力優于傳統材料，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"（重新釋放到系統中），真空度下降。因此絕熱單元至關重要：

⑴高真空絕熱層：在 “冷阱（低溫區）" 與 “泵殼（常溫區）" 之間設置夾層，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抽氣，而是 “吸附 - 再生" 的循環過程，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：真空系統中的氣體分子（游離態）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（單分子層優先，逐漸累積為多分子層）；

⑷真空維持：隨著吸附劑持續捕獲氣體分子，系統內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；

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、關鍵特性：與其他真空泵的核心區別

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用）。

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

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