Lektsii_Fv-9 (Лекции по физике вакуума)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАТитулКурс лекций:ФИЗИКА ВАКУУМАМихайлов Валерий ПавловичЛекция № 9Сорбция газов и паров твердыми теламиОдной из проблем вакуумной техники является удалениегазов и паров, находящихся на поверхностях металлических,стеклянных, керамических деталей, обращенных внутрьвакуумной камеры.Ряд специальных материалов, таких как активированныйуголь, цеолиты, силикагель, с развитой поверхностью (за счетбольшого количе ства пор), могут поглощать этойповерхностью большие количества газов и поэтомуиспользуют ся как поглотители в специальныхадсорбционных насосах.Имеется несколько механизмов поглощения газовтвердым телом:1. Осаждение молекул газа и сорбция газа наповерхности (физическая адсорбция). Количество слоевадсорбированного газа(коэффициент покрытия Θ) можетколебаться в широких пределах (Θ = 0,01 – 50, в зависимостиот давления и температуры).2.

Растворение газов в твердом теле, подобно тому, какэто происходит в жидкости (физическая абсорбция).3. Химическое взаимодействие твердого тела с газом(хемосорбция).Твердое тело, поглощающее газ называется сорбентом, аосаждаемый газ – сорбатом (адсорбатом, абсорбатом).Процесс удаления сорбированного газа с поверхностиназывается десорбцией.Сорбционная емкость сорбента определяется удельнойповерхностью, приходящейся на единицу массы.

Площадьреальной поверхности:F = S’·g ,гдеS’ – удельная поверхность, м2 · г-1 ;g - вес сорбента, г.С о р б ц и о н н а я е м ко с т ь т а к и х с о р б е н т о в , к а кактивированный уголь (S’ =1000 м2 · г-1(!)) , цеолиты (S’ =500 м2· г-1), силикагель (S’ =500 м2 · г-1) очень велика по сравнению сплощадью поверхности таких материалов, как стекло, слюда,металл, для которых площадь поверхности близка кгеометрической.Адсорбционные насосыАдсорбционные насосы – насосы использующиефизическую адсорбцию газов для их удаления из вакуумногообъема.Достоинством адсорбционных насосов являетсяотсутствие масла в конструкции, что позволяет получить сих помощью “безмасляный” вакуум.

Обычно адсорбционныенасосы используют как насосы предварительногоразрежения совместно с магнито-разрядными иликриосорбционными насосами для получения сверхвысокого“безмасляного” вакуума.В ряде случаев адсорбционные насосы используют каксамостоятельное средство откачки для получения среднего ивысокого “безмасляного” вакуума.Схема адсорбционного насосаНасос содержит следующие основные части:1 – присоединительный патрубок, служащий как дляоткачки (всасывания газов в насос), так и для регенерации(удаления газов из объема насоса);2 – сетчатый контейнер, наполненный адсорбентом(активированным углем, цеолитом, силикагелем);3 – адсорбент;4 – нагреватель для регенерации адсорбента;5 – жидкий азот, заливаемый в насос после регенерациидля приведения адсорбента в рабочее состояние;6 – теплоизолирующий контейнер (сосуд Дьюара).Полный рабочий цикл одного насоса включает какпериод регенерации (нагрева, когда насос не откачивает , анаоборот, выделяет откачанный им газ), так и рабочийпериод.

Поэтому для обеспечения непрерывности процессаоткачки необходимо использовать два насоса. Тогда в любоймомент времени один насос откачивает газ из вакуумнойсистемы, а другой – регенерируется.На вакуумной схеме показаны:1 – реципиент (откачиваемый объект);2 – клапан для откачки реципиента;3 – клапан для регенерации;4,5 – адсорбционные насосы;6 – насос предварительного разряжения (в качестве такогонасоса также может быть использован адсорбционный насос).Вакуумная система, использующая два адсорбционныхнасосаКоличество газа, откачиваемого адсорбционнымнасосом, может быть определено с помощью диаграммыизотерм адсорбции.

На рисунке представлены три изотермы(для активированного угля), которые показывают количествогаза, сорбированного при различных давлениях, для температур77 К (верхняя кривая 1), 293 К (средняя кривая 2), 500 К(нижняя кривая 3). Рассмотрим процесс использованиядиаграммы для расчета давлений.Так, если адсорбент регенерируется при температуре500 К и давлении 105 Па, см.

кривую 3, то количествооставшегося на сорбенте газа соответствует точке “а”. Если мыохладим адсорбент жидким азотом (до температуры 77 К,кривая 1), то мы достигнем внутри корпуса насоса предельногодавления Р’(3 – 1) = 10 – 4 Па, соответствующего точке“в”,кривая 1, т.к. на сорбенте при этом осталось исходноеколичество газа (соответствующее точке “а”), но мы за счетохлаждения адсорбента перешли на другую изотерму.Изотермы адсорбцииV · (P1 –P’)Если регенерировать адсорбент при другой температуре,например, при 293 К (точка “с” изотермы 2, соответствующейкомнатной температуре) после охлаждения сорбента мыдостигаем предельного давления только Р’(2– 1) = 10–1Па (точка“d”).В соответствии с уравнением Генри количествосорбированного газа:G = HT P GS ,гдеHT – коэффициент Генри при данной температуре,м3·кг-1P - давление газа над сорбентом, ПаGS - вес сорбента, кг.Количество газа в системе, состоящий из реципиентаобъемом V и насоса, содержащего GS кг сорбента приисходном давлении P0 и температуре T2 составит:G1 = P0V + HT2 · P0GS [ м3 · Па],гдеНТ2 – коэффициент Генри при температуре Т2.После охлаждения сорбента в насосе до температурыТ1 количество газа в системе осталось то же, т.к.

системазамкнута, но газ перераспределился за счет его сорбции насорбенте:G2 = G1 = P1V + HT1 · P1GS [м3 · Па],где НТ1 – коэффициент Генри при температуре Т1 .Используя вышеприведенные зависимости, мы можемнаписать выражение для расчета давления Р1 после первогоцикла откачки:V + HT 2 GSP1 = P0V + HT 1GSЭто давление на изотерме Т1 будет соответствоватьнекой точке “е”, которая находит ся выше точки“d” (соответствующей предельному давлению для системыизотерм Т2 – Т1) на величину G = V · (P1 –P’), т.е. навеличину количества газа, не перешедшего из объемавакуумной камеры на сорбент.Продолжая рассуждения аналогичным образом, можно врезультате анализа получить выражение для расчета давления вреципиенте Рn после n циклов откачки:V + HT 2 GS nPn = P0 ()V + HT 1GSPn → P’2-1 пригде Р’2-1-n→∞предельное давление, достигаемоеадсорбционным насосом при работе на изотермах 2-1.Из представленной системы изотерм следует, что переходна более высокую температуру регенерации (например, Т3 =500К вместо Т2 = 293 К) понижает достигаемое предельноедавление.

Следует помнить, что эта температураограниченатермостойкостью сорбента.Другим эффективным путем снижения предельногодавления является снижение давления при регенерации, т.е.регенерация адсорбционного насоса в форвакууме. При такомметоде регенерации исходное количество газа на сорбенте резкоуменьшается (точка “f ” вместо точки “a” для изотермы Т3), чтодает возможность получить гораздо лучший предельный вакуум(точка “g” вместо точки “в” на изотерме Т1).Геттерно – ионные насосыПринцип работы геттерно – ионных насосов основан насорбции ионизированных молекул газа сорбентами (геттерами),использующими принцип хемосорбции.

Для повышенияэффективности процесса поглощения ионизированные молекулыгаза (ионы) с помощью электрического поля принудительнонаправляются к сорбирующей поверхности и с большой силой“вбиваются” в нее.В качестве геттера часто используется титан (иногда всплаве с цирконием), имеющий высокую энергию сорбции ипозволяющий прочно удерживать сорбированные молекулы.

Напрактике используются три вида геттерно – ионных насосов,различающиеся способом увеличения траектории электронов испособом испарения титана:- магниторазрядные (НОРД – насос орбитронный разрядныйдиодный);- геттерно – ионные насосы (ГИН);- сорбционные титановые охлаждаемые насосы (СТОН).Схема магниторазрядного насосаСуммарная геометрическая быстрота действиянасоса может быть ориентировочно оценена:SГ = F · V1,где F - площадь поверхностей катодов и анода,покрытая свежей титановой пленкой и поглощающая газ, м2;V1 - объем газа, ударяющегося о единицу поверхностив единицу времени, м · с-1.Поскольку реальная быстрота откачки определяетсяэффективностью ионизации и сорбции молекул, тоона взначительной степени зависит от электронной оболочкимолекул и минимальна для инертных газов, имеющихполностью занятую внешнюю электронную оболочку, как этопоказано в таблице.Относительная быстротаоткачкиГазH2N2 CO2O2He ArОтносительная быстротаоткачки270% 100% 100% 57% 10% 1%Ярко выраженное свойство геттерных насосов откачиватьразные газы с разной скоростью (селективность откачки)может быть использовано для целей течеискания.

Так, обдуваянегерметичную вакуумную систему аргоном или гелием припопадании струи пробного газа на место течи операторнаблюдает увеличение давления, т.к. эти газы медленнееоткачиваются (медленнее, чем N2 и O2 , составляющие основуатмосферы).Магниторазрядный насос работает в широком диапазонедавлений 10-1 –10-7 Па, при этом его рабочая характеристиказависимости разрядного тока I от логарифма давления P имеетдва линейных участка.В высоком вакууме (при давлении Р = 10-5 – 10-1 Па)разрядный ток прямо пропорционален давлению. Придавлении большем 10-1 Па увеличение разрядного тока вызываетэлектрический пробой и повреждение электродов (см.пунктирующую линию).Во избежание этого, при Р > 10-1 Па выключатель 6размыкается и сопротивление 7 начинает ограничиватьразрядный ток, который начинает падать с увеличениемдавления (из-за нарастающего процесса рекомбинации ионов).Максимальное (стартовое) рабочее давление насосасоставляет 1 Па.Насос может быть прогрет до температуры 450 0С безмагнитов или до 150 0С в сборе с магнитами.Рабочая характеристика зависимости разрядного тока I отлогарифма давления P для магниторазрядного насосаЭлектростатический геттерно-ионный насос (орбитрон)1 – сетка; 2 – электрод; 3 – коллекторионов; 4 – анод; 5 – катод−6S Н = (10 I e / e)λσβIe1 – стержень-анод; 2 – коллекторионов; 3 – электрон и ион; 4 – катод;5 – траектория электронного луча– электронный ток; e – зарядэлектрона; λ – средняя длина пробегаэлектронов; σ – среднее сечение зоныударной ионизации атомов газов; β –вероятность захвата ионовколлекторомКонструкции испарителей для геттерных насосовЭлектротермическиеиспарители:а) прямонакальный;б) подогревныйЭлектронно-ионные испарители:а) электронно-лучевой; б) дуговойИспарительный насос1 – фланец; 2 – охлаждаемый экран; 3 – защитный экран;4 – корпус; 5 - испарительКриогенные насосыКрионасосами называются насосы использующие оченьнизкие температуры (Т = 4…20К) для удаления остаточныхгазов из вакуумного объема.

Откачка происходит за счетконденсации молекул откачиваемого газа на поверхностяхкриопанелей, охлаждаемых до криогенных температур.Криогенные насосы используют жидкий гелий(температура кипения в атмосфере 4,2 К) или реже, жидкийводород (температура кипения 20,4 К). Для того, чтобыминимизировать потери (испарение) используемых жидкиххладоагентов (H2 иНе) используются экраны, охлаждаемыежидким азотом и уменьшающие тепловую радиацию с деталейкорпуса нагретых до комнатной температуры (300 К).

Защитныеэкраны проектируются таким образом, чтобы криопанель не была“видна” со стороны нагретых до комнатной температуры деталей.Схема “заливного” крионасосаКриогенный насос может работать начиная сатмосферного давления, но при этом большое количествохладоагента (жидкого гелия или водорода) надо затратить наконденсацию газов, которые можно было бы откачать другимитипами насосов с минимальными затратами средств.