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低溫專題 | 低溫與真空

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真空技術和低溫技術都是通用性很強的科學,它們之間存在著密不可分的關系,主要是以氣體與固體或液體表面之間的相互作用為基礎。在極低溫下,幾乎所有的氣體都凝結成固體,因其飽和蒸氣壓非常低,這樣就可以獲得真空;同時,為了獲得和保持低溫,又必須應用真空技術,例如:真空絕熱、減壓降溫制冷等。低溫技術的發展促進了真空科學;而真空技術的前進又帶動著低溫技術,現在已經形成了真空需要低溫,低溫離不開真空的局面。

根據氣體的狀態方程PV=nRT,腔體內的氣壓與其內氣體分子的溫度是直接相關的,因此既可以通過調節溫度來改變腔室氣壓(即真空度),也可以通過改變真空來獲得低溫。


通過改變溫度提高真空度


一類是改變氣體分子與固體表面之間的吸附或脫附;另一類是改變物質分子自身的物態,比如氣體的蒸發和凝結。例如:

1)  高溫烘烤脫附除氣,提高腔室真空度:真空系統要獲得10-9 torr以上的超高真空,室溫條件下需要幾天甚至數周連續不斷的抽氣才能達到。而將真空系統或系統中某些部件加熱烘烤,可以加速固體表面氣體分子的脫附速率。結束烘烤降到室溫后,腔室的真空度通常會提高1-2個量級。

2)  低溫吸附泵吸氣,提高腔室真空度:低溫吸附泵是利用活性炭或分子篩等吸附劑,在低溫下具有很強的吸附氣體的能力來得到真空的。這種泵結構簡單、沒有震動,泵和被抽空間可以靠得很近,而且抽速大。吸附泵可以對氦、氫、氖等氣體抽超高真空。吸附劑飽和后,可用升溫及減壓的辦法使它放出所吸附的氣體得到再生。

3)  冷凝泵吸氣,用低溫表面冷凝氣體以達到抽氣的目的。當真空腔體內有冷面存在時,會在其上出現凝結,可以起到抽氣的作用,這就是低溫冷凝泵和低溫冷阱的工作原理。飽和蒸氣壓與溫度密切相關,溫度降低時,飽和蒸氣壓也會降低。

表1給出了大氣的標準成分。圖1給出了各種氣體的飽和蒸氣壓的溫度關系曲線。由圖1可見,溫度降到20K時,除了氖、氫、氦等難凝結的氣體外,空氣中所有其他成分的飽和蒸汽壓均低于10-10 torr。于是,當充滿空氣的密閉容器冷卻到20K時,真空即可達到1.2E-3 torr;冷到4.2K時只剩下氦氣,真空度可達到5E-5torr。冷凝泵的冷表面一般可選在14-20K左右,并采用先用易凝結氣體沖洗或先用其他泵抽真空等辦法,大幅度減少被抽系統中氫、氦等難凝結氣體的數量。工作過程中漏入系統的少量難凝結氣體亦可用其他泵抽走。


【表1】 標準大氣成分



【圖1】各種氣體飽和蒸汽壓的溫度關系


通過改變壓強(真空度)獲得低溫

凡是伴隨著低溫吸熱的物理過程都可以用來制冷。一類是相變制冷,即利用液體在低溫下的蒸發過程或固體在低溫下的融化或升華過程從被冷卻物體吸取熱量以制取冷量。另一類則通過改變液體上方蒸氣的壓強,從而改變液池溫度,如氣體絕熱膨脹制冷,高壓氣體經絕熱膨脹即可達到較低的溫度,令低壓氣體復熱即可制取冷量。例如:

1)  低溫液體如液氮、液氦可以獲得77K和4.2K的低溫。

通過抽氣系統對液面上方的空間減壓,即可改變液池的溫度。壓強越低,則溫度也越低。表2和圖2分別給出了液氮和液氦飽和蒸汽壓與溫度的對應關系。減壓所能達到的最低壓強,不僅取決于減壓系統的抽速,而且取決于到達液池的熱流大小。為了得到盡可能低的溫度,設法減少漏熱是很重要的。


【表2】液氮飽和蒸汽壓與溫度的對應關系


【圖2】液氦飽和蒸汽壓與溫度的對應關系


2)  氣體等焓膨脹制冷

在一定壓力及溫度條件下,氣體通過節流閥或膨脹機進行絕熱膨脹時,它的溫度會降低,甚至會液化。這種制冷方法常用于氣體分離和氣體液化及氣體制冷機中。對于實際氣體的焓值是溫度和壓強的函數,氣體節流前后的焓值一般發生變化,這一現象稱為焦耳-湯姆孫效應。這就是JT制冷機制冷的原理。

3)氣體絕熱放氣制冷

當容器中一定量的汽化氣體通過控制閥向環境介質絕熱放氣(或用真空抽氣)時,則殘留在容器中的氣體將要向放出的氣體作推動功,消耗它本身的一部分熱力學能(內能) ,因而溫度降低。這也是氣體制冷機的原理之一。費勉公司的閉循環樣品架是利用GM制冷機來提供冷量,而GM制冷機就是通過高壓氦氣的絕熱膨脹吸熱來制冷的。


真空與溫度的關系在固體材料中也有體現

固體也有飽和蒸氣壓。在一定條件下,固體表面動能較大的分子能克服臨近分子的結合力逸出固體表面直接變為蒸汽分子(升華),從而產生蒸氣壓,達到平衡時的壓力即是飽和蒸氣壓。比如干冰、碘等固體可直接由固體升華成氣體。和液體類似,固體材料在不同溫度下也有不同的飽和蒸氣壓,并且隨著溫度的升高而增大。和低溫相比,高溫下腔室的真空度普遍偏低,一方面是由于大量氣體分子的高溫脫附引起,另一方面,高溫下同種材料的飽和蒸氣壓變高,在沒有達到固-氣相動態平衡之前,升華占主導地位,也會引起真空度變差。

   圖3 給出了固體材料的飽和蒸氣壓與溫度的關系,飽和蒸氣壓隨著溫度的升高明顯增大。在相同溫度下,Pb,Zn,Cd三種金屬的飽和蒸氣壓相比其他金屬明顯偏高。因此這三種金屬及其合金不適用于超高真空環境。



【圖3】 固體材料的飽和蒸汽壓與溫度的關系




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