Hvordan fungerer sorptionspumper?

Udtrykket "sorptionspumpe" betyder fjernelse af gas og damp fra et rum. Pumpede gaspartikler bindes på overfladen eller indvendigt af fysisk temperaturafhængige adsorptionskræfter (van der Waals), chemisorption, absorption eller indlejres i processen med kontinuerlig nydannelse på adsorptionsoverfladerne. Vi skelner mellem adsorptionspumper og getterpumper ved at sammenligne deres funktionsprincipper. Adsorptionspumper er afhængige af temperaturstyrede adsorptionsprocesser, mens getterpumper er afhængige af dannelsen af kemiske forbindelser.

Gettering er bindingen af en gas til en ren overflade, for det meste metal, som ikke er dækket af et lag oxid eller karbid. Sådanne overflader dannes altid under fremstilling, installation eller udluftning af systemet. De fleste getteroverflader af rent metal fremstilles kontinuerligt ved direkte fordampning (fordamperpumper), sputtering (sputterpumper) eller getterens immobiliserede overfladelag (metal), der fjernes ved afgasning af vakuummet. På den måde udsættes det rene materiale for vakuum. T 'Aktivering' er den term, der anvendes til dette trin (NEG-pumper NEG = Non-Evaporable Getter).

Adsorptionspumpen (se fig. 2,59) fungerer efter princippet om fysisk adsorption af gas på overfladen af en molekylær si eller andet adsorptionsmateriale (f.eks. aktiveret Al2O3). Zeolit 13X anvendes ofte som adsorptionsmateriale. Dette alkaliske aluminosilikat har et meget stort overfladeareal i forhold til materialemassen og er et fast stof på ca. 1000 m2/g. Dets gasabsorptionsevne er tilsvarende stor.

1. Indgangstilslutning
2. Udluftningstilslutning
3. Få support
4. Pumpehuse
5. Varmelederlamel
6. Adsorptionsmateriale (zeolit osv.)

Zeolit 13X har en porestørrelse på ca. 13 Å, størrelsen af vanddamp, oliedamp og større gasmolekyler (ca. 10 Å). Forudsat at den gennemsnitlige molekylediameter er halveret, adsorberes der 5 · 10 ^-8 cm, ca. 5 · 1018 molekyler på monolaget i 1 m² området. Et nitrogenmolekyle med en relativ molekylvægt på Mr = 28 svarer til ca. 2 · 10 ^-4g eller 0,20 mbar · l. Derfor kan adsorptionsområdet på 1000 m2 adsorbere et monoatomisk lag, som mere end 133 mbar · l gas er bundet til.

Brint og lyse ædelgasser som helium og neon har en relativt lille partikelstørrelse sammenlignet med 13 Å porestørrelsen på zeolit 13X. Derfor er adsorptionen af disse gasser meget utilstrækkelig.

Adsorption af gas på overfladen afhænger ikke kun af temperaturen, men især også af adsorptionsoverfladens tryk. Afhængigheden af nogle gasser vises grafisk ved hjælp af adsorptionsisotermierne i fig. 2.60.
I virkeligheden er adsorptionspumpen forbundet med en beholder, der udtømmes gennem en ventil. Ved blot at nedsænke pumpehuset i flydende nitrogen opnås en teknisk anvendelig sorptionseffekt. På grund af de forskellige adsorptionsegenskaber vil adsorptionspumpens pumpehastighed og sluttryk være forskelligt for forskellige gasmolekyler: de bedste værdier opnås med nitrogen, kuldioxid, damp og kulbrintedampe.

Da partikeldiameteren er mindre end zeolitporerne, pumpes den lyse ædelgas næppe op. Efterhånden som dækningen af zeolitoverfladen øges, falder sorptionseffekten. Efterhånden som antallet af allerede adsorberede partikler øges, falder pumpehastigheden. Adsorptionspumpens pumpehastighed afhænger derfor af den mængde gas, der allerede er pumpet, og er derfor ikke konstant over tid.

Det sluttryk, der kan opnås med en adsorptionspumpe, bestemmes primært af den gas, der er til stede i beholderen ved starten af pumpeprocessen, og enten under absorberet eller ikke-absorberet (f.eks. neon eller helium) ved zeolitoverfladen. Nogle få ppm af disse gasser er til stede i atmosfæren. Derfor kan der opnås tryk < 10-2 mbar.

Hvis adsorptionspumpen kun producerer tryk under 10-3 mbar, må gasblandingen ikke indeholde neon eller helium.

Efter en pumpecyklus skal du blot opvarme pumpen til stuetemperatur for at frigive den adsorberede gas og regenerere og genbruge zeolitten. Hvis pumpen pumpes med vanddamp (eller fugtig gas), anbefales det, at pumpen tørrebages fuldstændigt ved 200 °C (392 °F) eller højere i flere timer.

Nogle adsorptionspumper anvendes parallelt eller i serie til pumpning af større beholdere. Til at begynde med skal trykket falde fra atmosfærisk tryk til nogle få millibar. Målet er at "fange" så mange ædelgasmolekyler af helium og neon som muligt.

På dette trin, når pumperne er mættede, lukkes ventilerne til disse pumper.

Den tidligere lukkede ventil, der er tilsluttet en anden sugepumpe, som stadig indeholder rent adsorbent, åbnes, og denne pumpe kan pumpe vakuumbeholderen ned til det næste lavere trykniveau. Denne proces kan fortsætte, indtil sluttrykket ikke kan forbedres yderligere ved at tilføje en renere adsorptionspumpe.

Sublimationspumpen er en sorptionspumpe, hvor gettermaterialet fordamper og aflejres som en getterfilm på den kolde indervæg. På overfladen af sådanne getterfilm danner gasmolekyler stabile forbindelser med et umåleligt tryk. Den aktive getterfilm opdateres ved efterfølgende fordampninger. Titanium bruges ofte som getter til sublimationspumper. Titanium fordampes fra en speciel legeringstråd med et højt titaniumindhold og opvarmes af en elektrisk strøm.

Optimal sorptionskapacitet (ca. ét nitrogenatom pr. fordampet titanatom) er næsten umulig at opnå i praksis, men der kan forekomme titaniumsublimationspumper, især under opstartsoperationer eller i store mængder. Pumpehastigheden for aktiv gas er meget høj. Gassen dannes pludselig og udledes hurtigt.
Sublimationspumper fungerer som hjælpepumper (boostere) til sputterionpumperog turbomolekylære pumper, så det er ofte nødvendigt at installere dem.