Сорбционные насосы — общие сведения о сорбции газов
Сорбционные насосы — общие сведения о сорбции газов
Сорбция газа в вакуумной технике играет двойственную роль: положительную, когда она используется в вакуумных насосах для удаления газа, и отрицательную, когда в результате сорбции газов „загрязняются” обрабатываемые поверхности и приходится тратить время и энергию на удаление сорбированных газов и паров. Под сорбцией понимается способность твердого тела поглощать газы и пары. При взаимодействии газов с твердыми телами газ может поглощаться поверхностью твердого тела, это явление носит название адсорбции, и поглощаться всей массой твердого тела, проникая внутрь твердого тела, это явление носит название абсорбции, причем различают физическую адсорбцию и химическую адсорбцию газов, или хемосорбцию. Процесс обратной сороции, т. е. выделение ранее поглощенного твердым телом газа или пара, носит название десорбции.
При соударении молекул с поверхностью твердого тела некоторая часть молекул газа упруго отражается от поверхности. Однако подавляющая часть молекул некоторое время остается на поверхности. Время пребывания (время жизни) молекул газа на поверхности твердого тела зависит от чистоты и природы поверхности, от рода газа, температуры поверхности и кинетической энергии молекулы, средняя величина которой определяется температурой газа. По истечении этого времени молекула покидает поверхность. Количество молекул, ударяющихся при данной температуре газа о поверхность, определяется давлением газа над поверхностью. В результате в замкнутом объеме на поверхности твердого тела устанавливается такая концентрация газа, при которой число десорбирующих и падающих молекул одинаково.
Количество газа, сорбированное поверхностью твердого тела и соответствующее такому динамическому равновесию при постоянной температуре, описывается изотермами адсорбции. Для двух произвольно взятых температур они изображены на рис. 4-1. Как видно из рисунка, количество сорбированного газа увеличивается с увеличением давления, причем количество адсорбированного вещества при малой его концентрации на поверхности и низких давлениях пропорционально давлению. С увеличением температуры динамическое равновесие устанавливается при меньших количествах сорбированного газа, или соответственно при больших давлениях.
При сильном понижении температуры сорбирующей поверхности процесс физической адсорбции переходит в конденсацию и вымораживание газа. При повышении температуры газа и поверхности процесс физической адсорбции для некоторых веществ переходит в хемосорбцию газа. Качественная зависимость интенсивности процесса сорбции газа поверхностью твердого тела от температуры представлена на рис. 4-2, на котором условно обозначены и области превалирующих эффектов.
Процессы конденсации и физической адсорбции всегда обратимы, т. е. адсорбированное вещество не изменяет своих физико-химических свойств и при десорбции выделяется в первоначальном виде. Довольно быстро устанавливается динамическое равновесие между количествами газа, находящегося в свободном и адсорбированном состояниях, в соответствии с изотермами адсорбции. На поверхности твердого тела газы и пары могут сорбироваться в несколько слоев. Толщина пленки сорбированного газа определяется физическим состоянием и природой поверхности твердого тела и газа.
Хемосорбция, как правило, необратима. В случае хемосорбции для установления равновесия газа может потребоваться несколько часов. Толщина хемосорбированного слоя газа принципиально не может превышать одного молекулярного слоя.
Применительно к геттерным и геттерно-ионным насосам представляет интерес хемосорбция газа постоянно возобновляемой пленкой титана. До насыщения пленки хемосорбция различных газов идет практически независимо друг от друга. И только присутствие сложных молекул углеводородов и паров воды резко снижает сорбционную активность титановой пленки по другим газам, как говорят, происходит „отравление” пленки. Инертные газы: аргон, неон, гелий и др. очень слабо сорбируются титаном.
В вакуумной технике для создания вакуума нашли практическое применение как процессы конденсации и физической адсорбции, так и хемосорбции, причем в вакуумных насосах обычно все эти процессы протекают одновременно, проявляясь в большей или меньшей степени.