Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Сорбционный насос — это вакуумный насос, создающий вакуум путем адсорбции молекул на высокопористом материале, таком как молекулярное сито, охлаждаемом криогенной жидкостью, обычно жидким азотом. Предельное давление составляет около 10−2 мбар. С использованием специальных методов его можно снизить до 10−7 мбар. Основные преимущества — отсутствие масла или других загрязнений, низкая стоимость и бесшумная работа, поскольку нет движущихся частей. Основные недостатки заключаются в том, что он не может работать непрерывно и неэффективно откачивает водород, гелий и неон — газы с температурой конденсации ниже, чем у жидкого азота. Основное применение — в качестве предварительного насоса для ионного насоса в экспериментах со сверхвысоким вакуумом, например, в физике поверхности.
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.
Строительство
Сорбционный насос обычно изготавливается из нержавеющей стали, алюминия или боросиликатного стекла. Он может представлять собой простую колбу из пирекса, заполненную молекулярным ситом, или сложную металлическую конструкцию, состоящую из металлической колбы с перфорированными трубками и теплопроводящими ребрами. Может быть установлен предохранительный клапан. Конструкция влияет только на скорость откачки, но не на предельное давление, которое можно достичь. Детали конструкции представляют собой компромисс между быстрым охлаждением с помощью теплопроводящих ребер и высокой газопроницаемостью за счет использования перфорированных трубок. Обычно используется синтетический цеолит с диаметром пор около 0,4 нанометра (тип 4А) и удельной поверхностью около 500 м²/г. Сорбционный насос содержит от 300 г до 1,2 кг молекулярного сита. 15-литровую систему можно откачать до примерно 10⁻² мбар с помощью 300 г молекулярного сита.
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
Сорбционный насос является циклическим насосом, и его цикл состоит из 3 фаз: сорбция, десорбция и регенерация. На фазе сорбции насос фактически используется для создания вакуума. Это достигается путем охлаждения корпуса насоса до низких температур, как правило, путем погружения его в сосуд Дьюара, заполненный жидким азотом. Газы теперь будут либо конденсироваться, либо адсорбироваться большой поверхностью молекулярного сита. На фазе десорбции насос нагревается до комнатной температуры, и газы выходят через предохранительный клапан или другое отверстие в атмосферу. Если насос использовался для перекачки токсичных, легковоспламеняющихся или других опасных газов, необходимо соблюдать осторожность при безопасном выпуске в атмосферу, так как все газы, перекачанные во время фазы сорбции, будут высвобождены во время фазы десорбции. На фазе регенерации корпус насоса нагревается до 300 °C для удаления водяного пара, который не десорбируется при комнатной температуре и накапливается в молекулярном сите. Обычно требуется 2 часа для полной регенерации насоса. Конечное давление почти равно парциальному давлению гелия в воздухе. Сорбционный насос эффективно перекачивает все газы, за исключением водорода, гелия и неона, которые не конденсируются при температуре жидкого азота и не эффективно адсорбируются молекулярными ситами из-за их малого молекулярного размера. Эту проблему можно решить, продувая вакуумную систему сухим чистым азотом перед откачкой. В продуваемой системе с предварительной откачкой аспиратором можно достичь предельного давления 10−4 мбар для одного сорбционного насоса и 10−7 мбар для последовательной откачки. Типичным источником сухого чистого азота является пространство над жидким азотом в сосуде Дьюара. Было предложено, что при использовании динамической откачки водород, гелий и неон также могут быть откачаны без использования продувки сухим азотом. Это делается путем предварительного охлаждения насоса с закрытым клапаном к вакуумной емкости. Клапан открывается, когда насос холодный, и приток адсорбируемых газов уносит все остальные газы в насос. Клапан закрывается до того, как водород, гелий или неон смогут вернуться в вакуумную емкость. Также может быть применена последовательная откачка. Данные о конечном давлении не приводятся. Непрерывную откачку можно имитировать, используя два насоса параллельно, позволяя одному насосу откачивать систему, в то время как другой насос, временно изолированный от системы, находится в фазе десорбции и выпускает газы в атмосферу. Когда насос хорошо десорбирован, он охлаждается и повторно подключается к системе. Другой насос изолируется и переходит в фазу десорбции. Таким образом, создается непрерывный цикл.
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.