Особенности установок для моделирования условий космического пространства, страница 5

Криосорбционная откачка происходит в результате физической и химической адсорбции газов на специальных твердых телах (сорбентах), охлаждаемых до температур T_s<100 К. Криосорбцию целесообразно использовать для откачки газов, равновесное давление насыщенных паров которых при температуре криоповерхности превышает требуемое давление (или T_g < T_b).

В количественном отношении криосорбция характеризуется коэффициентом прилипания С_a, аналогичным коэффициенту конденсации.

Рассмотрим криосорбцию главным образом с точки зрения возможности откачки водорода, гелия и других газов, не откачиваемых практически с помощью криоконденсации.

В вакуумных установках используются в основном два метода криосорбционной откачки:

а) адсорбция газов на охлажденных, напыляемых непрерывно в процессе откачки на подложки металлических пленках;

б) адсорбция газов охлажденными пористыми твердыми телами.

Известно также, что в ряде случаев в качестве сорбента могут служить сконденсированные слои другого газа (СО₂, H₂O и т. п.), а также чистые металлические стенки вакуумных установок (например, Си).

Особенностью процесса криосорбции на охлаждаемых напыляемых пленках является постоянное обновление сорбирующей поверхности, благодаря чему такие устройства не требуют регенерации путем нагревания.

При охлаждении пленки до низких температур, хемосорбция возрастает вследствие увеличения газопоглотительной способности пленки.

Газ, откачанный охлажденными пленками, при нагревании последних частично выделяется, что может свидетельствовать о наличии процесса физадсорбции наряду с процессом хемосорбции при откачке охлажденными пленками.

В качестве газопоглотителей применяются пленки титана, молибдена, вольфрама, палладия, никеля и других металлов, напыляемые на металлические подложки, охлаждаемые до низких температур. Наиболее широко используются пленки титана. В результате проведенных экспериментальных исследований сорбции Н₂, N₂ на титановых пленках в широком температурном интервале (-195…-100⁰C) выявлено, что при комнатной температуре сорбция водорода на титановой пленке сопровождается синтезом метана (СН₄) и других летучих углеводородов, парциальные давления которых и определяют предельный вакуум сорбционного насоса.

При понижении температуры пленки до -195°С коэффициент прилипания водорода возрастает в 4…5 раз по сравнению с коэффициентом прилипания водорода при комнатной температуре; при этом подавляются химические реакции, идущие с образованием метана, и основу процесса составляет физадсорбция.

Сорбция N₂, О₂, СО, СН₄ и других газов на возобновляемых сорбционных поверхностях титана происходит с достаточной эффективностью. При сорбции на напыляемых охлаждаемых пленках коэффициент прилипания уменьшается во времени.

Сорбция инертных газов на свеженапыленном титане при температуре жидкого азота осуществляется с весьма низкими коэффициентами прилипания. Поэтому для откачки инертных газов более эффективным методом может явиться криоконденсация при соответствующих T_s.

Скорость откачки титановых насосов уменьшается с возрастанием давления (рис. 3.2.4.).

Другим распространенным способом криосорбционной откачки является откачка газов на охлажденных (T_s ≤ 100 К) пористых твердых телах (типа молекулярных сит) и других сорбентах (силикагелях, алюмогелях и т. п.).

Молекулярные сита представляют собой пористые кристаллы естественных или искусственных минералов (например, цеолит). Размеры пор этих кристаллов соизмеримы с размерами откачиваемых газовых молекул. В этой связи указанные тела имеют чрезвычайно развитую удельную поверхность (до 10³ м²/г).

Исключительно важное значение для процесса имеет сорбционная емкость сорбента по отношению к определенному газу.

Сорбционная емкость молекулярных сит для различных газов зависит, главным образом, от удельной поверхности сорбента. Наиболее распространены в качестве сорбентов активированный уголь и цеолит имеющие наибольшие удельные поверхности (близкие к 10³ м²/г).