Проблема сорбции газов и паров поверхностью твердого тела имеет важнейшее значение для вакуумной техники, с одной стороны, из-за необходимости удаления газов и паров, находящихся на поверхности стенок вакуумных аппаратов, с другой стороны, вследствие применения этого явления для откачки газов. Термин сорбция объединяет понятие адсорбция — поглощение газа или пара поверхностью тела с образованием пленки толщиной порядка нескольких молекул — и абсорбция или окклюзия — проникновение газа в глубь твердого тела.

Во многих случаях эти два процесса существуют совместно. Способность твердых веществ к поглощению газов и паров различна для разных веществ. Наибольшая способность к поглощению проявляется у пористых тел, так как они имеют большую удельную поверхность. Под удельной поверхностью понимают величину поверхности единицы массы адсорбента. При повышении температуры тела абсорбция возрастает, а адсорбция на поверхности этого тела понижается. Согласно теории Ленгмюра явление адсорбции поверхностью тел а вызывается тем,что атомы адсорбента на поверхности являются химически ненасыщенными,вследствие чего они окружены интенсивным силовым полем. Молекулы газа, ударяясь о поверхность, конденсируются на ней, удерживаясь полем поверхностных атомов. Эти молекулы могут в последующем испаряться с поверхности.

Время между конденсацией и испарением зависит от величины поверхностных сил и непосредственно определяет адсорбцию. В случае собственно адсорбции толщина слоя не превышает диаметра одной молекулы,ибо как только поверхность покрывается мономолекулярным слоем, поверхностные силы химически насыщаются. Данные о числе молекул газа на 1 см2 поверхности, на которой образовался мономолекулярный слой, и объеме,занимаемом этим количеством молекул при 20° С и 760 мм рт. ст., приведены в табл. 67 [46]. Эти данные получены расчетным путем при условии, что поверхность адсорбента абсолютно гладкая.

Сорбция газа всегда сопровождается выделением, а десорбция — поглощением тепла. На пористых неметаллических адсорбентах дифференциалные теплоты адсорбции весьма близки или несколько больше теплот конденсации адсорбируемого вещества. Это силы, действующие между атомами поверхности и молекулами адсорбируемого вещества, имеют ту же природу, это и силы Ван-дер-Ваальса, вызывающие конденсацию паров. При сорбции металлами величины теплоты сорбции имеют тот же порядок, что и теплоты химических реакций.

Таблица 67

 Отсюда происходит название «хемосорбция» для этого типа сорбции. Как правило, теплоты сорбции одного и того же газа на различных адсорбентах близки одна к другой. Теплоты сорбции различных газов обычно возрастают с увеличением температур кипения газов.

 В табл. 68 приведены данные по теплотам адсорбции и конденсации газов. В общем случае, по-видимому, можно утверждать, что при ван-дер-ваальсовой адсорбции скорость адсорбции молекул газа определяется той скоростью, с которой они могут достичь поверхности. Медленные процессы являются следствием хемосорбции, химической реакции, растворения или наличия препятствий, мешающих молекулам входить в соприкосновение с поверхностью адсорбента.

Адсорбционным называют высоковакуумный насос, который откачивает газ за счет эффекта физической адсорбции газа развитой поверхностью адсорбента. Адсорбционные насосы, использующие охлажденный активированный уголь или силикагель, применяли задолго до изобретения диффузионных насосов. Для металлографических исследований структуры металлов и сплавов при высоких температурах, когда проникновение паров рабочей жидкости из вакуумного насоса особенно нежелательно, был применен адсорбционный насос конструкции УФТИ.

Откачка происходит в результате адсорбции молекул откачиваемого воздуха охлажденным активированным углем, причем скорость откачки растет с увеличением давления в откачиваемом пространстве. Такой процесс не может продолжаться непрерывно, так как активированный уголь постепенно насыщается газом. Восстановление угля производится прогревом при одновременной откачке форвакуумным насосом. Не следует применять для охлаждения насосов жидкий воздух из-за возможности взрыва.

Рабочая камера насоса представляет собой цилиндр объемом 1 л, к нижней части которого припаяна латунная труба длиной 300 мм, диаметром 30 мм с концентрично расположенной цилиндрической сеткой диаметром 12 мм. Активированный уголь в виде гранул засыпают в кольцевое пространство между латунной трубой и сеткой. Первоначально весь объем насоса откачивается до форвакуумного давления, после чего форвакуумный насос отключается и труба насоса погружается в сосуд Дьюара с жидким азотом.

Сосуд может перемещаться в вертикальном направлении. При расходе азота ~0,3 л/ч давление составляет 5- 10^-6 мм рт. ст. (такое давление достигается через 3—5 мин после заливки жидкого азота).

Таблица 68 

 После 15—20 ч работы сосуд Дьюара снимают и трубу насоса погружают в специальную цилиндрическую печь. Гранулы угля нагреваются до 100—150° С при одновременной откачке форвакуумным насосом в течение 1,5—2 ч. В результате нагрева сорбированные газы удаляются из угля. Для восстановления адсорбционной способности угля баллон с углем примерно 1 раз в месяц откачивается форвакуумным насосом 1—2 ч при 100° С (погруженный в кипящую воду). На рис. 350 приведена схема адсорбционного насоса большой производительности.

Предельное давление адсорбционных насосов может быть ниже I • 10^-7 мм рт. ст., скорость откачки до 3000 л/с для воздуха.

Скорость откачки растет с повышением давления. Преимуществами адсорбционных насосов являются простота устройства и отсутствие проникновения в реципиент паров или продуктов разложения рабочей жидкости. Недостаток — необходимость непрерывного охлаждения до низких температур. Адсорбционными насосами успешно заменяют диффузионные насосы при откачке паров жидкого гелия для получения температур ниже 1° К. Благодаря высоким адсорбционным свойствам угля, охлажденного до температуры жидкого гелия, такие насосы очень компактны.

Для откачки водорода и неона требуется охлаждение насоса жидким водородом, для откачки гелия необходимо охлаждение жидким гелием. На рис. 351 показан адсорбционный насос с жидким водородом для откачки водорода.

Элемент 1, охлаждаемый жидким азотом, предназначен для предварительной тренировки системы; элемент 2, защищенный азотным экраном, охлаждается жидким водородом. Предельное давление по водороду ~10^-8 мм рт. ст., скорость откачки при давлении 8-10^-8 мм рт. ст. — 400 л/с, 10^-6 мм рт. ст. — 750 л/с, 1О^-6 мм рт. ст. — 900 л/с.

Для восстановления адсорбционной способности угля насос отогревается до комнатной температуры и 1—2 ч откачивается форвакуумным насосом. На рис. 352 показан гелиевый криостат, снабженный адсорбционным насосом с активированным углем. Благодаря применению встроенного адсорбционного насоса нет необходимости подключения диффузионного насоса.

 Адсорбционный насос, содержащий около 20 г угля, заключен в трубку из коррозионностойкой стали, окруженную вакуумной рубашкой. Насос может работать непрерывно около 10 ч при 0,3° К, после чего требуется регенерация угля, занимающая около 45 мин. Для переохлаждения сосуда с Не3 рубашка насоса охлаждается до температур Не4 пропусканием газа комнатной температуры при давлении 10—20 мм рт. ст. Приблизительно 5 л Не3 при нормальных условиях вводятся в камеру и сжижаются в результате понижения давления пара над сосудом с Не4 до 15 мм рт. ст., что соответствует температуре 1,1° К

Во время этой операции адсорбционный насос находится в верхнем положении. Откачка сконденсированного Не3 начинается при медленном опускании адсорбционного насоса, пока он не достигает температуры жидкого Не4. Когда весь жидкий Не испаряется, насос поднимают, чтобы произвести десорбцию Не3. Основной резервуар снова откачивается для следующего цикла

Кроме активированного угля или окиси алюминия за последние годы широко распространился метод сорбционной откачки с помощью цеолитов, имеющих исключительно высокую адсорбционную способность. Цеолиты встречаются в природе и получаются искусственным путем— это кристаллическое вещество типа Na₂Al2O3-SiO₂-H2O. Природные цеолиты представляют собой алюмосиликаты бария, натрия и кальция.

После прогрева цеолита кристаллическая вода удаляется без изменения структуры, благодаря чему во много раз увеличивается пористость материала. Цеолиты имеют постоянные и воспроизводимые сорбционные свойства. Каждый вид цеолита имеет поры одинакового диаметра, благодаря чему сорбция молекул имеет селективный характер; поэтому цеолиты получили название молекулярных сит. Размеры пор цеолитов 4-10 А (у активированного угля 50 А). Насос, представляющий собой сосуд с цеолитом, охлаждается жидким азотом.

С помощью цеолитов недостаточно хорошо откачиваются аргон и водород, а вода, например, активно поглощается. Из-за активного поглощения влаги регенерация сорбента должна производиться прогревом до 350° С. При температуре выше 350° С может произойти разложение сорбента. Такие насосы могут производить откачку непосредственно от атмосферного давления, поэтому их применяют в качестве насосов предварительного вакуума.

Например, насос EGS 500(ГДР), содержащий 500 г цеолита марки 5А, производит откачку объема 12,5 л от атмосферного давления до давления 1•1O-2 мм рт. ст. и объема 20 л до 2•1O-2 мм рт. ст. При откачке больших объемов применяют параллельное или последовательное соединение нескольких насосов. Насос EGS 500 (рис. 354, а) изготовлен из коррозионностойкой стали и снабжен нагревателем для регенерации и сосудом Дьюара для охлаждения насоса.

 Корпусом служит тонкостенная волнистая труба. Такая труба улучшает теплообмен, так как поверхность ее увеличена почти в 2 раза по сравнению с обычной гладкой поверхностью. Насос неразборный, при изготовлении отдельные узлы насоса свариваются в среде защитного газа. Для откачки воздуха применяют сорбент 5А (НСП Фарбенфабрик Воль-фен). Для специальных случаев применяют также вещества ЗА, 4А, 10Х, 13Х. Во время откачки насос погружен в сосуд Дьюара с жидким азотом. Нагреватель насоса показан на рис. 354, а (справа). Он изготовлен из листового железа и имеет электрический нагреватель (спираль).

Работа таких насосов совместно с сорбционно-ионными дает возможность получать предельное давление порядка 10^-10 мм рт. ст. Их можно также применять в качестве форвакуумных для масляных диффузионных насосов.

Подобные насосы фирмы Эдварде (Англия) EZ500 и EZ1500 содержат соответственно 500 и 1500 г сорбента; их применяют в качестве предварительных насосов в сверхвысоковакуумных установках.

Предельное давление, создаваемое этими насосами, 10_3мм рт. ст. Во время работы они также охлаждаются жидким азотом и создают давление 10^-2ммрт. ст. в течение нескольких минут. Обычно устанавливают два или более насосов последовательно. Насос фирмы Эдварде показан на рис. 354, б. В высоковакуумных установках, где недопустимо попадание органических веществ, они работают совместно с сорбционно-ионными распылительными насосами или с ртутными диффузионными насосами с ловушкой.  В табл. 69 приведены технические характеристики сорбционных цеолитовых насосов и агрегатов отечественного производства.

Они предназначены для откачки вакуумных систем объемом 10—100 л от атмосферного давления до 1O-2 — 10^-4 мм рт. ст. и применяются для форвакуумной откачки совместно с сорбционно-ионными, паромасляными и парортутными насосами. При температуре жидкого азота активно поглощаются пары воды, воздух, азот, кислород, окись и двуокись углерода, криптон, ксенон; значительно хуже поглощаются гелий, неон и водород. В качестве сорбирующего материала применен промышленный синтетический цеолит марки 5А (CaA). Для полной регенерации этого сорбента необходимо периодически прогревать его при 550° С.

Агрегаты ЦВА (рис. 355) состоят из двух насосов ЦВН, вакуумной арматуры, металлического сосуда Дьюара и электронагревателя для регенерации цеолита в корпусе наcoca. Вся система монтируется на металлической стойке.

Рис. 355. Схема агрегата ЦВА-0,1-2:

1 — сосуд Дьюара; 2 — образцовый вакуумметр; 3 — соединительный трубопровод; 4 — вентиль Ду-20; 5 — водоструйный насос ЦВН-1-2; 6 — поддерживающая стойка; 7 — насос ЦВН-0.1-2; 8 — электронагреватель

В агрегатах ЦВА-0,1-2 и ЦВА-1-2 кроме цеолитовых насосов, работающих попеременно для обеспечения непрерывности действия, применен водоструйный насос для предварительного удаления из откачиваемого объема основного количества газа. Комбинация водоструйного и двух цеолитовых насосов позволяет откачивать большое количество газов и получать высокий вакуум, свободный от углеводородов.

Основным конструкционным материалом насосов и арматуры является коррозионностойкая сталь. Уплотняемый профиль разъемных соединений

1 — сорбционный охлаждаемый насос; 2 — сосуд Дьюара; 3 — испаритель титана в насосе; 4 — азотная ловушка; 5 — паромасляный нагсос; б — охлаждаемый экран насоса  с алюминиевыми уплотнителями.

Промышленностью выпускаются цеолитовые вакуумные насосы с емкостью капсул, заполняемых цеолитом, 0,1 кг (ЦВН-0,1-2) и 1 кг (ЦВН-1-2). Агрегаты на базе этих насосов: ЦВА-0,1-1 и ЦВА-1-1 без водоструйного насоса и ЦВА-0,1-2 и ЦВА-1-2 с дополнительным водоструйным насосом. Насосы и агрегаты комплектуются гранулированным цеолитом 5А в герметичной упаковке и алюминиевыми уплотнителями.

Насосы с пористыми сорбентами при соответствующем выборе поглотителя можно использовать и для получения высокого вакуума, а не только для создания предварительного разрежения. В некоторых конструкциях сорбционных насосов поглощающая поверхность создается напылением химически активного металла, обычно титана, образующего прочные соединения с большей частью встречающихся в вакуумных системах газов. Инертные газы, не взаимодействующие с титаном, могут откачиваться небольшим вспомогательным насосом.

Сверхвысоковакуумный титановый охлаждаемый агрегат отечественного производства АВТО-20М показан на рис. 356 и 357. Он предназначен для безмасляной откачки вакуумных систем в установках напыления, для имитации условий космоса и для других сверхвысоковакуумных установок. Предельное давление, создаваемое агрегатом, порядка 10^-12 мм рт. ст. Характеристики агрегата приведены на рис. 358. Откачка газа производится слоем титана, напыляемого на охлаждаемую поверхность. В агрегате применен электроннолучевой испаритель титана с минимальным тепловым излучением.

Агрегат выполнен из коррозионностойкой стали и обезгаживается прогревом при 400—450° С. В состав агрегата входят: сверхвысоковакуумный титановый охлаждаемый насос; паромасляный насос Н-5С-М; азотная ловушка, цельнометаллический вентиль 80ТР-У, блок электропитания. Агрегат имеет пульт управления, снабжен комплектом запасных медных уплотнителей.

Фирма Эдварде (Англия) выпускает титановые сублимационные насосы, которые работают совместно с диффузионными или сорбционно-ионными распылительными насосами в установках для получения сверхвысокого вакуума. Газ откачивается благодаря сублимации титана с нити накала и конденсации его на поверхности, охлаждаемой водой или жидким азотом. Скорость откачки сухого азота составляет от 1,5 до 2,5 л/с на 1 см2 поверхности при охлаждении ее водой и примерно в 2 раза больше при охлаждении жидким азотом. Водяной пар и конденсирующиеся газы удаляются таким насосом с большой скоростью.