Miten sorptiopumput toimivat?

”Sorptiopumpulla” tarkoitetaan kaasun ja höyryn poistamista tilasta. Pumpatut kaasuhiukkaset kiinnittyvät pintaan tai sisäosiin fyysisten lämpötilasta riippuvaisten adsorptiovoimien (van der Waals) vaikutuksesta, kemiabsorptiosta, absorptiosta tai upotetaan adsorptiopintojen jatkuvaan uusiutumisprosessiin. Erotamme adsorptiopumput ja getter-pumput toisistaan vertaamalla niiden toimintaperiaatteita. Adsorptiopumput perustuvat lämpötilasäädeltyihin adsorptioprosesseihin, kun taas getter-pumput perustuvat kemiallisten yhdisteiden muodostumiseen.

Kaasun kiinnittyminen puhtaaseen pintaan, lähinnä metalliin, joka ei ole oksidi- tai karbidikerroksen peitossa. Tällaisia pintoja muodostuu aina järjestelmän valmistuksen, asennuksen tai tuuletuksen aikana. Useimmat puhtaan metallin getter-pinnat tuotetaan jatkuvasti suoralla haihdutuksella (höyrystinpumput), sputteroinnilla (sputteripumput) tai getterin immobilisoidulla pintakerroksella (metalli), joka poistetaan kaasunpoistolla. Näin puhdas materiaali altistuu tyhjiölle. T ”Aktivointi” on tässä vaiheessa käytetty termi (NEG-pumput NEG = Non-Evaporable Getter).

Adsorptiopumppu (katso kuva 2,59) toimii periaatteella, että kaasu adsorboituu fyysisesti molekyyliseulan tai muun adsorptiomateriaalin (kuten aktivoidun Al2O3:n) pinnalle. Zeoliitti 13X:ää käytetään usein adsorptiomateriaalina. Tällä emäksisellä alumiinisilikaatilla on erittäin suuri pinta-ala suhteessa materiaalimassaan, ja se on kiinteää ainetta noin 1 000 m2/g. Sen kaasun imukyky on vastaavasti suuri.

1. Syöttöliitäntä
2. Ilmanpoistoliitäntä
3. Pyydä tukea
4. Pumpun runko
5. Lämpöä johtava lamelli
6. Imeytysaine (zeoliitti jne.)

Zeoliitti 13X:n huokoskoko on noin 13 Å, vesihöyryn, öljyhöyryn ja suurempien kaasumolekyylien koko (noin 10 Å). Olettaen, että molekyylien keskihalkaisija on puolet siitä, että 5 · 10 ^-8 cm, noin 5 · 1018 molekyyliä adsorboituu yksikerroksiselle alueelle 1 m². Typpimolekyyli, jonka suhteellinen molekyylipaino on Mr = 28, vastaa noin 2 · 10 ^-4g tai 0,20 mbar · l. Siksi 1 000 m2:n adsorptioalue voi adsorboida monatomisen kerroksen, johon on sidottu yli 133 mbar · l kaasua.

Vetykaasun ja kevyiden jalokaasujen, kuten heliumin ja neonin, hiukkaskoko on suhteellisen pieni verrattuna 13 Å zeoliitti 13X:n huokoskokoon, joten näiden kaasujen adsorptio on hyvin riittämätön.

Kaasun adsorptio pinnalla riippuu lämpötilan lisäksi erityisesti adsorptiopinnan paineesta. Joidenkin kaasujen riippuvuus esitetään graafisesti adsorptioisotermeillä kuvassa 2.60.
Todellisuudessa adsorptiopumppu on liitetty säiliöön, joka tyhjennetään venttiilin kautta. Pumpun rungon upottaminen nestemäiseen typeen tuottaa teknisesti käyttökelpoisen absorptiovaikutuksen. Erilaisten adsorptio-ominaisuuksien vuoksi adsorptiopumpun pumppunopeus ja loppupaine ovat erilaisia eri kaasumolekyyleille: parhaat arvot saavutetaan typellä, hiilidioksidilla, höyryllä ja hiilivetyhöyryillä.

Koska hiukkasten halkaisija on pienempi kuin zeoliitin huokoset, kevyttä jalokaasua tuskin pumpataan ylös. Kun zeoliittipinnan peittävyys kasvaa, sorptiovaikutus vähenee; kun jo adsorboituneiden hiukkasten määrä kasvaa, pumpun nopeus laskee. Siksi adsorptiopumpun pumppausnopeus riippuu jo pumpatun kaasun määrästä, eikä se ole vakio ajan mittaan.

Adsorptiopumpulla saavutettava loppupaine määräytyy ensisijaisesti säiliössä pumppausprosessin alussa olevan kaasun ja zeoliitin pinnalla olevan imeytyneen tai imeytymättömän (esim. neon tai helium) kaasun mukaan. Ilmakehässä on muutama ppm näitä kaasuja. Siksi paineet < 10-2 mbar voidaan saavuttaa.

Jos adsorptiopumppu tuottaa vain alle 10-3 mbar:n paineita, kaasuseos ei saa sisältää neonia tai heliumia.

Pumppausjakson jälkeen pumpun tarvitsee vain lämmittää huoneenlämpöön, jotta imeytynyt kaasu vapautuu ja zeoliitti regeneroituu ja voidaan käyttää uudelleen. Jos pumppua käytetään vesihöyryn (tai kostean kaasun) kanssa, on suositeltavaa kuivapaahtaa pumppua vähintään 200 °C:n (392 °F:n) lämpötilassa useiden tuntien ajan.

Joitakin adsorptiopumppuja käytetään rinnakkain tai sarjassa suurempien astioiden pumppaamiseen. Aluksi paineen pitäisi laskea ilmakehän paineesta muutamaan millibaariin. Tavoitteena on kerätä mahdollisimman paljon heliumin ja neonin jalokaasumolekyylejä.

Tässä vaiheessa, kun pumput ovat kyllästyneet, näiden pumppujen venttiilit suljetaan.

Aiemmin suljettu venttiili, joka on liitetty toiseen imupumppuun ja joka sisältää vielä puhdasta adsorbenttia, avataan, ja tämä pumppu voi pumpata tyhjiösäiliön alas seuraavalle alhaisemmalle painetasolle. Tämä prosessi voi jatkua, kunnes loppupainetta ei voida parantaa entisestään lisäämällä puhtaampi adsorptiopumppu.

Sublimaatiopumppu on sorptiopumppu, jossa getter-materiaali höyrystyy ja kertyy getter-kalvona kylmälle sisäseinälle. Tällaisten getter-kalvojen pinnalla kaasumolekyylit muodostavat vakaita yhdisteitä mittaamattomalla paineella. Aktiivista getter-kalvoa päivitetään myöhemmillä haihdutuksilla. Titaania käytetään yleisesti getterinä sublimaatiopumpuissa. Titaani höyrystyy titaanipitoisesta erikoisseoslangasta ja kuumenee sähkövirralla.

Optimaalista imukykyä (noin yksi typpiatomi haihtunutta titaaniatomia kohden) on lähes mahdotonta saavuttaa käytännössä, mutta titaanisublimaatiopumppuja voi esiintyä erityisesti käynnistyksen aikana tai suurissa määrissä. Aktiivisen kaasun pumppausnopeus on erittäin suuri. Kaasua muodostuu äkillisesti ja purkautuu nopeasti.
Sublimaatiopumput toimivat apupumppuina (tehostimina) sputteri-ionipumpuilleja turbomolekyylipumpuille, joten niiden asennus on usein välttämätöntä.