Сорбционные явления в вакууме

Процесс поглощения газов или паров твердыми телами неза­висимо от того, происходит он на поверхности или в объеме твердого тела, называется сорбцией, а процесс поглощения газов на поверх­ности твердых тел - адсорбцией. Различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. Абсорбция - это поглощение газов в объеме твердых тел. В процессе абсорбции газ растворяется в объеме твердого тела.

Вещество, поглощающее газ, называется сорбентом (адсорбентом, абсорбентом), а поглощаемое вещество - сорбатом (адсорбатом, абсорбатом). Выделение газов из твердого тела - десорбция.

Сорбция - процесс экзотермический. При поглощении молекул га­за выделяется энергия сорбционного взаимодействия, имеющая физи­ческую Q_ф и химическую Q_х природу.

Физическая составляющая энергии взаимодействия определяется следующими эффектами, обеспечивающими притяжение и отталкивание молекул: индукционный эффект притяжения при взаимодействии посто­янного и индуцированного диполей имеет место, если хотя бы одна из взаимодействующих молекул обладает постоянным дипольным моментом; ориентационный эффект притяжения наблюдается для двух молекул с постоянными дипольными моментами; дисперсионный эффект притяжения имеет место при взаимодействии флуктуирующих диполей, создаваемых электронами, вращающимися вокруг ядра. Отталкивание объясняется взаимодействием положительно заря­женных ядер сближающихся молекул. Энергия отталкивания Q_о обратно пропорциональна двенадцатой степени расстояния между молеку­лами: Qo=B/r¹². С учетом всех эффектов энергию взаимодействия между двумя молекулами можно записать Q=Q_о-Q_ф-Q_х. При Q=0 наблюдается равно-весие, при котором энергии отталкивания и притяжения равны. Энергия взаимодействия молекулы с твердым телом, где n и V - концентрация и объем атомов адсорбента. После интегри­рования составляющая энергии притяжения пропорциональна третьей, а отталкивания девятой степени расстояния между молекулой и поверх­ностью. Уравнение (1.22) можно представить в графической форме в виде потенциальных кривых, рис.1.2.

Рис. 1.2. С приближением к поверхности молекула сначала оказывается в первой потенциальной яме. При этом наблюдается физическая адсорбция. Молекула с энергией поступательного движения kT/2 будет колебаться внутри потенциальной ямы между r_Ф1 и r_Ф2. Если энергия молекулы пре­вышает φ_ф+φ_акт то она диссоциирует на атомы, которые химически взаимодействуют с поверхностью. При этом атомы попадают во вторую потенциальную яму и колеблются в ней между r_Х1 и r_Х2. Следующий этап процесса поглощения - абсорбция, которая ха­рактеризуется переходом хемосорбированных молекул газа в кристал­лическую решетку твердого тела. Десорбция газа наблюдается в обратном порядке. Молекулы из твердого тела переходят в хемосорбированное состояние, откуда при достаточно высокой энергии молекул kT/2>f_х+f_акт они могут покинуть поверхность. Для удаления молекул из первой потенциальной ямы должно соблюдаться условие kT/2>f_ф. На практике для удаления хемосорбированного газа адсорбент нагревают до температур 300-400ºС.

7) Молекулярная откачка. Удаление газа из вакуумной системы с помощью движущихся поверхностей называют молекулярной откачкой. Р.10 Схема представляет собой откачку через канал. Одна из стенок которого совершает относительные перемещения со скростьюVp относительно канала. Молекулы газа соударяясь о движущуюся поверхность получают приращение количества движения в направлении насоса предварительного разряжения. При этом создается перепад давлений, где Р2>Р1. Тогда максимальная быстрота действия насосов может быть получена пропорционально скорости движения подвижной пластины. - площадь поперечного сечения канала - коэффициент, учитывающий соотношение движущейся и неподвижных частей периметра канала

Принимая число соударений молекул с движущимися и неподвижными частями одинаковым, определяем долю молекул неприрывно получающих приращение скорости. - движущиеся и неподвижные части периметров канала

Дифференциальное уравнение течения газа через канал постоянного поперечного сечения в установившемся режиме, когда Q=const, можно записать:

- проводимость канала

- длина канала

Давление будет равно:

Учитывая, что газовый поток для быстроты действия насоса уравнение переписывается в другом виде:

Из уравнения следует что есть линейная зависимость между быстротой действия и коэффициентом компрессии . При равенстве P1 и P2 быстродействие насоса будет максимальным. В связи с тем, что проводимость каналов при молекулярном режиме течения газов пропорциональна максимальный коэффициент компрессии возрастает с увеличением молекулярной массы и снижением температуры газа. Данная схема удобная для получения больших коэффициентов компрессии при малых значениях быстроты откачки. При увеличении молекулярной массы коэффициент компрессии возрастает. А эффективная максимальная быстрота откачки остается без изменения.

Р.11

При молекулярной откачке по 2ой схеме используется проводимость наклонного канала, движущегося перпендикулярно газовому потоку со скоростью Vp. При этом надо учитывать направление течения газа. Для упрощения примем, что пластину с наклонным каналом с обеих сторон бомбардируют перпендикулярно поверхности пластины поток молекул газа Q1 и Q2. Остановив пластину и сложив векторы относительной скорости Vpс вектором тепловых скоростей молекул Vap,получим измененное направление движение молекул. Поток Q1 при ходит вдоль оси канала, а поток Q2 перпендикулярно оси. Приближенно можно принять, что проводимость канала для Q1 и Q2 различны, т.к. Q1 идет как бы по прямой трубе. А Q2 по трубе с поворотом на 90⁰. Тогда для установившегося режима течения газа: Значения, указанных проводимостей можно определить, пользуясь справочником. Тогда для каналов с отношением сторон производительность насоса будет:

Зависимость быстроты действия насоса также и для первой схемы насосов зависит от коэффициента компрессии . Тогда теоретическая быстрота действия насоса будет равна:

- вероятность прохода молекул через канал, в прямом и обратных направлениях

Р.12

Р.13

Поиск по сайту: