Сорбциялық сорғы: Құрылымы, қағидалары және қолданылуы
Sorption pump
Сорбциялық вакуумдық сорғы: жұмыс принципі, артықшылықтары (майсыз, төмен құн, дірілсіз) мен кемшіліктері (үздіксіз жұмыс істемейді, жеңіл газдарды сорғыламайды).
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сорбциялық сорғы – молекулалық ілгек сияқты өте кеуекті материалда молекулаларды адсорбциялау арқылы вакуум жасайтын вакуумдық сорғы, бұл материал криогенмен, әдетте сұйық азотпен салқындатылады. Ең жоғары қысым шамамен 10−2 мбарды құрайды. Арнайы техникаларды қолдану арқылы бұл көрсеткіш 10−7 мбарға дейін төмендетілуі мүмкін. Басты артықшылықтары – май немесе басқа да қоспалардың болмауы, төмен құн және қозғалмалы бөліктері болмағандықтан дірілсіз жұмыс. Басты кемшіліктері – үздіксіз жұмыс істеуге қабілетсіздігі және сутегі, гелий және неон газдарын тиімді түрде соруға болмайды, себебі бұл газдардың конденсация температурасы сұйық азоттан төмен. Басты қолданылуы – жоғары вакуумдық эксперименттерде, мысалы, беттік физикадағы иондық сорғыға алдын ала сору сорғысы ретінде қолданылады.
The sorption pump is a vacuum pump that creates a vacuum by adsorbing molecules on a very porous material like molecular sieve which is cooled by a cryogen, typically liquid nitrogen. The ultimate pressure is about 10−2 mbar. With special techniques this can be lowered till 10−7 mbar. The main advantages are the absence of oil or other contaminants, low cost and vibration free operation because there are no moving parts. The main disadvantages are that it cannot operate continuously and cannot effectively pump hydrogen, helium and neon, all gases with lower condensation temperature than liquid nitrogen. The main application is as a roughing pump for a sputter ion pump in ultra high vacuum experiments, for example in surface physics.
Құрылыс
Сорбциялық сорғыш әдетте тот баспайтын болаттан, алюминийден немесе борсиликатты шыныдан жасалады. Ол молекулалық ілгекпен толтырылған қарапайым пирекс колба немесе тесіктелген түтікшелер мен жылу өткізгіш қабырғалары бар металл колбадан тұратын күрделі металл конструкциясы болуы мүмкін. Қысымды төмендету клапаны орнатылуы мүмкін. Дизайн тек сору жылдамдығына ғана әсер етеді, бірақ қол жеткізілетін ең төменгі қысымға әсер етпейді. Дизайн егжей-тегжейлері, жылу өткізгіш қабырғаларды пайдаланып жылдам салқындату мен тесіктелген түтікшелерді пайдаланып жоғары газ өткізгіштігі арасындағы айырбас болып табылады. Көбінесе қолданылатын молекулалық ілгек – 0,4 нанометрге жуық тесік диаметрі бар синтетикалық цеолит (4A типі) және шамамен 500 м²/г беттік ауданы бар. Сорбциялық сорғышта 300 г-дан 1,2 кг-ға дейін молекулалық ілгек болады. 15 литрлік жүйе 300 г молекулалық ілгек арқылы шамамен 10⁻² мбарға дейін вакуумдалады.
A sorption pump is usually constructed in stainless steel, aluminium or borosilicate glass. It can be a simple Pyrex flask filled with molecular sieve or an elaborate metal construction consisting of a metal flask containing perforated tubing and heat conducting fins. A pressure relief valve can be installed. The design only influences the pumping speed and not the ultimate pressure that can be reached. The design details are a trade off between fast cooling using heat conducting fins and high gas conductance using perforated tubing. The typical molecular sieve used is a synthetic zeolite with a pore diameter around 0.4 nanometer ( Type 4A ) and a surface area of about 500 m2/g. The sorption pump contains between 300 g and 1.2 kg of molecular sieve. A 15 liter system will be pumped down to about 10−2 mbar by 300 g molecular sieve.
Операция
Сорбциялық сорғы – циклдық сорғы және оның циклі 3 фазадан тұрады: сорбция, десорбция және регенерация. Сорбция фазасында сорғы іс жүзінде вакуум жасау үшін қолданылады. Бұл сорғы корпусын төмен температураға дейін салқындату арқылы жүзеге асырылады, әдетте сұйық азотқа толы Дьюар колбасына батырып салу арқылы. Газдар енді конденсатталады немесе молекулалық ситтердің үлкен бетінде адсорбцияланады. Десорбция фазасында сорғыға бөлме температурасына дейін жылынуға рұқсат етіледі және газдар қысымды төмендету клапаны немесе басқа ашық тесік арқылы атмосфераға шығады. Егер сорғы уытты, жанғыш немесе басқа қауіпті газдарды сорған болса, сорбция фазасында сорған барлық газдар десорбция фазасында шығарылатындықтан, оларды атмосфераға қауіпсіз түрде шығаруға көңіл бөлу керек. Регенерация фазасында сорғы корпусы 300°C-қа дейін қыздырылады, бұл бөлме температурасында десорбцияланбайтын және молекулалық ситтерде жиналатын су буын жою үшін жасалады. Сорғыны толық регенерациялау әдетте 2 сағатқа жуақ уақыт алады. Соңғы қысым ауадағы гелийдің ішінара қысымына шамалас. Сорбциялық сорғы сутегі, гелий және неоннан басқа барлық газдарды тиімді сорады, себебі олар сұйық азот температурасында конденсатталмайды және кішкентай молекулалық мөлшеріне байланысты молекулалық ситтермен тиімді адсорбцияланбайды. Бұл мәселені сорғыны құрғақ таза азотпен тазарту арқылы шешуге болады. Аспиратормен тазартылған жүйеде бір сорғы үшін 10−4 мбар, ал тізбекті сорғы үшін 10−7 мбар ең жоғары қысымға қол жеткізуге болады. Құрғақ таза азоттың әдеттегі көзі – сұйық азот Дьюарының жоғарғы кеңістігі. Динамикалық сорғылау техникасын қолдану арқылы сутегі, гелий және неонды құрғақ азотпен тазартуды қажет етпей соруға болады деген ұсыныс бар. Бұл үшін сорғы клапан жабық күйде вакуумдік ыдысқа алдын ала салқындатылады. Клапан сорғы салқындаған кезде ашылады және адсорбцияланатын газдардың ағыны барлық басқа газдарды сорғыға әкеледі. Сутегі, гелий немесе неон вакуумдік ыдысқа кері миграцияламас бұрын клапан жабылады. Тізбекті сорғылауды да қолдануға болады. Соңғы қысымдар көрсетілмейді. Екі сорғыны параллель қосып, біреуі жүйені сорса, ал екіншісі уақытша жүйеден бөлініп, десорбция фазасында атмосфераға шығарса, үздіксіз сорғылауды имитациялауға болады. Сорғы жақсы десорбцияланғаннан кейін салқындатылып, жүйеге қайта қосылады. Екінші сорғы бөлініп, десорбцияға өтеді. Бұл үздіксіз циклге айналады.
The sorption pump is a cyclic pump and its cycle has 3 phases: sorption, desorption and regeneration. In the sorption phase the pump is actually used to create a vacuum. This is achieved by cooling the pump body to low temperatures, typically by immersing it in a Dewar flask filled with liquid nitrogen. Gases will now either condense or be adsorbed by the large surface of the molecular sieve. In the desorption phase the pump is allowed warm up to room temperature and the gases escape through the pressure relief valve or other opening to the atmosphere. If the pump has been used to pump toxic, flammable or other dangerous gasses one has to be careful to vent safely into the atmosphere as all gases pumped during the sorption phase will be released during the desorption phase. In the regeneration phase the pump body is heated to 300 °C to drive off water vapor that does not desorb at room temperature and accumulates in the molecular sieve. It takes typically 2 hours to fully regenerate a pump. The final pressure almost equals the partial pressure of helium in air. A sorption pump does pump all gases effectively with the exception of hydrogen, helium and neon which do not condensate at liquid nitrogen temperatures and are not efficiently adsorbed by the molecular sieves because of their small molecular size. This problem can be solved by purging the vacuum system with dry pure nitrogen before pump down. In purged system with aspirator rough pumping ultimate pressures of 10−4 mbar for a single sorption pump and 10−7 mbar for sequential pumping can be reached. A typical source of dry pure nitrogen would be a liquid nitrogen Dewar head space. It has been suggested that by applying a dynamic pumping technique hydrogen, helium and neon can also be pumped without resorting to dry nitrogen purging. This is done by precooling the pump with the valve to the vacuum vessel closed. The valve is opened when the pump is cold and the inrush of adsorbable gases will carry all other gases into the pump. The valve is closed before hydrogen, helium or neon can back migrate into the vacuum vessel. Sequential pumping can also be applied. No final pressures are given. Continuous pumping may be simulated by using two pumps in parallel and letting one pump pump the system while the other pump, temporally sealed off from the system, is in the desorption phase and venting to the atmosphere. When the pump is well desorbed it is cooled down and reconnected to the system. The other pump is sealed off and goes into desorption. This becomes a continuous cycle.