吸附泵是如何工作的？

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“吸附泵”一词包括所有通过吸附方式从空间中除去气体和蒸汽的布置。被抽气体粒子在与温度有关的物理吸附力（范德华力）、化学吸附和吸收的作用下，或者在新的吸附表面连续形成的过程中被嵌入吸附介质，从而被束缚在这些吸收介质的表面上或其内部。通过比较其工作原理，我们可以将此类泵分为吸附泵和吸气泵两种，前者是通过温度控制的吸附过程来吸附气体；后者则主要通过形成化合物来吸收和保留气体。吸气过程是指将气体束缚到未被在制造、安装或破空时形成氧化物或碳化物层覆盖的金属纯净表面上。通过蒸发（蒸发器泵）或溅射（溅射泵）直接在真空中持续形成以金属为主并且纯度极高的吸气表面，或者利用真空脱气去除吸气剂（金属）的钝化表面层，使纯材料暴露于真空中。此步骤称为活化（NEG 泵 NEG = 非蒸发型吸气剂）。

吸附泵的工作原理

吸附泵（见图 2.59）根据分子筛或其他吸附材料（例如活化 Al₂O₃）表面的气体物理吸附原理工作。沸石 13X 是一种常用的吸附材料。这种碱铝硅酸盐的特点是单位重量的物质具有极大的表面积，每克固体物质的表面积约为 1000 m²。所以它拥有非常强大的气体吸附能力。

图 2.59 吸附泵设计剖面图。

进气口
脱气口
支架
泵体
导热叶片
吸附材料（例如沸石）

沸石 13X 的孔径约为 13 Å，与水蒸汽、油蒸汽和较大气体分子（约为 10 Å）的大小在同一个数量级内。假设平均分子直径是该值的一半，即 5 · 10^-8 cm，则 1 m² 表面的单层中可吸附大约 5 · 10¹⁸ 个分子。对于相对分子量 Mr = 28 的氮分子，相当于约 2 · 10^-4g 或 0.20 mbar · l 的气体。因此，1000 m² 的吸附表面吸附单层分子就能够束缚超过 133 mbar · l 气体。

氢气和较轻的惰性气体（如氦气和氖气）的粒径与沸石 13X 的孔径 (13 Å) 相比较小，因此对这些气体的吸附性非常差。

加热和压力对气体吸附的影响

表面对气体的吸附不仅取决于温度，更重要的是取决于吸附表面上方的压力。图 2.60 通过吸附等温线以图形的方式描述了几种气体对温度的依赖性。在实际应用中，吸附泵通过阀连接至要抽空的容器。只有将泵体浸入液氮中，才可实现在技术上有效的吸附作用。由于不同气体分子的吸附特性不同，吸附泵的相应抽取速度和最终压力也不同：氮气、二氧化碳、水蒸气和烃蒸气可达到最佳值。而小分子惰性气体由于粒径与沸石孔隙相比过小，几乎根本无法抽除。随着沸石表面逐渐被覆盖，吸附作用会相应下降，抽取速度会随着已吸附粒子数量的增加而下降。因此，吸附泵的抽取速度取决于已抽取的气体量，而非始终不变的常量。

图 2.60 沸石 13X 在 -319°F (-195°C) 和 68°F (20°C) 时的氮吸附等温线，以及氦气和氖气在 -319°F (-195°C) 时的吸附等温线。

吸附泵可达到的极限压力首先取决于抽真空过程开始时容器内存在的主要气体，以及沸石表面对其吸附力较差或完全不具吸附力的气体（例如氖气或氦气）量。在大气中，这些气体的浓度为几个 ppm。因此，可以达到 < 10^-2 mbar 的压力。

若要仅通过吸附泵来产生低于 10^-3 mbar 的压力，则气体混合物中应尽可能不存在氖气或氦气。

抽真空过程结束后，必须将泵仅加热至室温，以便释放吸附的气体，并再生沸石以供重复使用。如果抽取了含有大量水蒸汽的空气（或潮湿气体），则建议在 392°F (200°C) 或更高温度下烘热泵几个小时，使之完全干燥。

若要为更大的容器抽真空，可将几个吸附泵并联或串联起来使用。首先，由第一级泵将压力从大气压力降低到几个毫巴，以便“捕获”大量的氦气和氖气的惰性气体分子。在该阶段的抽取达到饱和后，这些泵的阀关闭，并打开之前处于关闭状态、所含吸附剂仍未使用的另一个泵的阀，以便该泵可以将真空室抽真空至下一个更低的压力水平。此步骤可以持续进行，直至再无法通过加入清洁吸附泵来进一步降低极限压力。

什么是升华泵？

升华泵属于吸附泵，泵内的吸气材料可通过蒸发并沉积到低温内壁上而成为吸气膜。在该吸气膜的表面，气体分子会形成蒸汽压力极低的稳定化合物。活性吸气膜可通过后续蒸发进行再生。通常使用钛作为升华泵的吸气剂。用电流加热由钛含量较高的特殊合金制成的金属丝，通过蒸发作用得到所需的钛。尽管在实际应用中，钛升华泵几乎无法达到最佳吸附能力（每个蒸发的钛原子只能吸附大约一个氮原子），但是，对活性气体而言，钛升华泵的抽速非常高，它可在启动过程中或大量气体突然发生变化时迅速将气体抽走。由于升华泵可用作离子溅射泵和涡轮分子泵的辅助泵（加速器），它们通常是必须安装的一种泵（如蒸汽喷射泵中的“增压器”；有关更多信息，请参阅有关油扩散泵的页面）。

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