Данный сайт о физике, физическом факультете ХНУ им. Каразина, бывшем ХГУ им.Горького, точнее его физфаке, тонких плёнках, технологии высокого вакуума.

Криосорбционные насосы

Криосорбционные насосы представляют собой ловушки, удаление газа которыми осуществляется за счет физической адсорбции на специальных охлаждаемых поверхностях адсорбентов, в качестве которых чаще всего используются цеолиты. Этот процесс предназначен прежде всего для удаления ненасыщенных паров и конденсируемых газов. Когда все свободные состояния заполнены, наступает насыщение поверхности ловушки. Таким образом, криосорбция представляет собой одно из звеньев в цепи операций и требует периодической регенерации сорбирующей поверхности путем термически индуцируемой десорбции. Для увеличения емкостей криосорбционные приборы изготавливаются на основе пористых материалов с большой площадью внутренних поверхностей. Кроме того, необходимо охлаждение адсорбента, поскольку теплоты адсорбции неконденсируемых газов настолько малы, что их десорбция имеет место уже при температурах ниже комнатной. Этот факт иллюстрируется данные о температурах сжижения обычных газов. При этом, как показали Мураками и Окамото , одновременно падает и скорость десорбции. Эти авторы адсорбировали газы на искусственном цеолите при 77 К и затем при равномерном подъеме температуры наблюдали их десорбцию. Эти данные покрывают, что требуемые для десорбции температуры не слишком далеки от температуры сжижения газов. Ne, Н2 и Не могут сорбироваться лишь при температурах не выше 78 К. Помимо площади поверхности и ее температуры, количество сорбируемого газа зависит от его давления. Соотношение между концентрацией адсорбируемого вещества и равновесным давлением его паров при данной температуре называется изотермой адсорбции и является специфической для данной системы газ — твердое тело. Если изотермы адсорбции для сравнительно высоких давлений известны уже давно , то интерес к этой характеристике для глубокого вакуума, стимулированный прежде всего высоковакуумными применениями, проявился гораздо позже . Используя модель Поленьи для поверхностного потенциала твердого тела, Хобсон и Амстронг попытались получить теоретические изотермы адсорбции для области высокого вакуума. Оии сумели объяснить изотермы Ns, и Аг при 77 К. Эхлерс описал экспериментальный метод для одновременного определения вероятности прилипания молекулы к поверхности сорбента, коэффициента диффузии молекул через сорбент и изотермы адсорбции. На основе этих параметров могут быть оценены скорости сорбцион-ных процессов и результирующие давления при различных вакуумных условиях. Однако эти последние данные редко известны полностью. На практике следует полагаться на эмпирические изотермы или кривые откачки для конкретных условий.

I) Свойства сорбирующих материалов. Свойства активированного угля сильно зависят от исходного материала и процесса изготовления, от которого зависят размеры пор. Коксовый уголь при 77 К сорбирует объем газа приблизительно на порядок больший по сравнению со своим собственным (при 0° С и 760 мм рт. ст.) . Восстанавливающий катализатор более эффективно сорбирует в области ультравысокого вакуума, снижая давление от 10^-8 мм рт. ст. до 3 • 10^-10 мм рт. ст. Поскольку основным остаточным газом при этом давлении является водород, который слабо сорбируется окислами, то, по-видимому, в сверхвысоком вакууме особое значение имеет присутствие мелкодисперсной платины. Полагают, что палладий также является селективным сорбентом для йодорода и остаточных углеводородов . Лучше других исследованы и находят более широкое применение молекулярные сита или синтетические цеолиты. Это — алюмосиликаты щелочных металлов, структура которых представляет собой решетку многогранников, связанных атомами кислорода. В центре многогранника—пустоты, связанные между собой системой меж-кристаллитных пор, возникающих в процессе формирования многогранников. С помощью ионообменной техники атом щелочного металла можно замещать, меняя при этом эффективный размер пор. В процессе синтеза цеолита поры заняты кристаллизационной водой, которая может быть удалена прогревом без нарушения кристаллической структуры. Получают щиеся в результате молекулярные сита представляют собой сорбирующие материалы с хорошо воспроизводимой структурой, пронизанные однородными порами молекулярных размеров. Поскольку для адсорбции газа на большой внутренней поверхности сита он должен диффундировать через поры, то молекулы больше определенного размера пройти не смогут. Диаметр молекул обычных газов меняется в пределах от 2 до 4 А. Следовательно, большая часть этих газов может проникнуть сквозь поры. Сорбционные характеристики различных типов молекулярных сил (за исключением типа 13 X) очень близки. Цеолит типа 13 X обладает несколько большей емкостью и способен адсорбировать ароматические углеводороды. При расчете сорбциониой емкости, наряду с удельной площадью внутренней поверхности и диаметром молекул необходимо также учитывать возможность преимущественной адсорбции одного газа по сравнению с другим. Кроме того, не всегда можно точно оценить величину полной площади поверхности. Из экспериментов Бейли следует, что площадь эффективной поверхности сита 5 А для 02, Ng, Аг и СН4 при 77 К равна всего лишь 400 м8 . г-1. Из рис. 19 видно, что ниже определенной температуры сорбционная емкость цеолита для Аг и N2 падает, в то время, как для 02 — растет. Это свидетельствует о том, что поры цеолита при охлаждении уменьшаются, что приводит к невозможности адсорбции относительно крупных молекул N2 и Аг, при хорошей адсорбции молекул кислорода [95]. При сравнительных исследованиях молекулярных сит Бэннок [90] обнаружил, что цеолит типа 5А превосходит остальные по быстроте откачки и по сорбционной емкости для воздуха. Изотермы адсорбции сит этого типа для обычных газов представлены на рис. 20. Наиболее легко конденсируемые газы насыщают цеолит при адсорбции около 100 л. мм рт. ст. г-1. Это, как полагают, соответствует монослойному покрытию адсорбцией поверхности. Резкий подъем кривой для метана при давлениях около 10 мм рт. ст. свидетельствует о начале многослойной адсорбции, см. разд. ЗА. Адсорбционная емкость для Н2, Ne и Не при 77 К значительно меньше, что связано с их более низкими температурами конденсации. В соответствии с тенденцией, наблюдаемой на рис. 20, при давлениях ниже 10_3 мм рт. ст. адсорбция всех газов быстро падает [96]. Стерн и Ди Паоло [97] установили, что в этом интервале давлений после повторного десорбционно-адсорбционного цикла значительно увеличивается емкость для N2. Возможность достижения максимальной адсорбционной емкости реализуется лишь при условии отсутствия значительных количеств паров воды. Даже при комнатной температуре цеолит 5 А адсорбирует эти пары в количестве до 18% от собственного веса или приблизительно 20 мм рт. ст. л паров воды на грамм веса сита [94]. И если все другие обычные газы легко десорбируются при восстановлении температуры криосорбционного насоса до комнатной (см. табл. 3), то регенерация сита, содержащего пары воды, требует нескольких часов прогрева до 350° С. Обычно нагревание выше этой температуры не рекомендуется из-за начинающегося разрушения гранул цеолита, однако некоторые исследователи проводят обезгаживание при температурах до 450° С [98]. Еще одним фактором, который нужно учитывать при использовании криосорбционных насосов, является плохая теплопроводность молекулярных сит. И поскольку их эффективность зависит от охлаждения, то сита закрепляются в корпусе ловушки либо в виде тонких вкладышей, удерживаемых металлическим экраном, либо распределяются в узких каналах. Бэннок [90] использовал трубчатые элементы диаметром 2 см, длиной 60 см. Сэндс и Дик [93]^методом плазменного распыления цеолита наносили на металлические трубки прочно сидящие слои адсорбента, чем обеспечили лучший тепловой контакт. Этот метод требует нанесения вторичного потока частичек цеолита, поскольку материал из плазменного потока теряет свои адсорбционные свойства и служит в основном в качестве биндера. При применении этого метода должна быть решена проблема пыли, появляющейся из-за плохой прессовки слоев цеолита, приводящей к загрязнению вакуумной камеры. Бейли наблюдал пылинки диаметром от 3 до 8 мкм от молекулярного сита, которые он был способен уловить, используя стеклянные фильтры) о потере пропускной способности в своей работе он ничего не сообщил.По "Технологии тонких плёнок. Справочник под редакцией Л.Майселла Р.Гленга"