表面吸附氣體的脫落
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2014-07-17 閱讀
在極高真空系統(tǒng)中，表面脫附的氣體量、氣體成分以及減少脫附的實(shí)驗(yàn)方法是非常重要的。已有不少文章給出了一些數(shù)據(jù)。為了定量地說明問題，這里仍然假定系統(tǒng)V= 100L．S=100L/s，表面積A=104cm2，粘著概率口= 0.5。用J．P．HobSon的方法，認(rèn)為氣體分子完全沒有相互作用，由脫附氣體所產(chǎn)生的壓力
式中 K-系數(shù)，與溫度有關(guān)，K= f(T)S'/S;其中 S-是對某一種氣體的抽速，[L／S]；S7——是吸附表面的抽氣速率，此時為5L/(s．cm/)；
R-氣體常數(shù)，8·314[J/mol．K]；
T-熱力學(xué)溫度[K]；
E-脫附活化能[J/mol]。
把各種脫附活化能E代入式(16-4)中，就可以得到20℃下的壓力一時間曲線，圖16-2為在吸附一個分子層的器壁上具有不同脫附活化能的氣體，在20℃下出氣時容器內(nèi)壓力變化曲線。E≤63kj/mol的吸附氣體，在室溫下很快被抽走。E>126kj/mol的暖附氣體分子被束縛得很緊，其脫附量對壓力的影響很小。只有75kj/mol<E<105kj/mol的吸附氣體，在室溫下可以在較長時間內(nèi)引起較高的分壓力。例如在上述假定系統(tǒng)中，在室溫下11d內(nèi)均能產(chǎn)生7×10-10Pa的分壓力。如果在短時間內(nèi)可以產(chǎn)生更高的分壓力，如E=92kj/mol的氣體，在室溫下幾百小時仍保持10-7Pa的分壓力，這對獲得極高真空來說是一個困難。為了克服這個困難，系統(tǒng)必須烘烤。烘烤對表面脫附的影響可用圖16-3直觀地表示出來。假定裝置容積為1L，表面積為100cm2，抽速為1L/s，僅考慮單分子層吸附并假定脫附的分子不再被吸附，容器在22℃下，壓力達(dá)到10-8Pa、10-13Pa所需要的時間和E的關(guān)系用圖16-3(n)表示，E≤84kj/mol的氣體容易脫附，E≥167kj/mol的氣體脫附速度很慢。為了獲得低于10-13Pa以下的壓力，只要 
把容器加熱到300℃短時間烘烤，然后冷卻到室溫，即可得到圖16-3(6)的結(jié)果。由此可以看出，去除表面吸附氣體，適當(dāng)?shù)睾婵臼莦*有效的辦法。由于烘烤會使氣體脫附的量降幾個數(shù)量級，因此，烘烤的均勻性是非常重要的。在物理吸附的情況下，脫附活化能是z*低能級和勢能零點(diǎn)的差，如圖16-4所示，它等于吸附熱。表16-1給出了幾種常用吸附劑吸附某些氣體的吸附熱。
化學(xué)吸附的情形屬于另外一種，它們有以下關(guān)系
式中 H。——化學(xué)吸附熱，[J/mol]；
E。——化學(xué)吸附所需的活化能，[J/mol]；
Ed-分子的解離能，[J/mol]。
固體表面吸附的氣體還可以用在10Pa～1Pa下惰性氣體的輝光放電來清除，也可以用電子、離子轟擊材料而使吸附氣體放出。也有用光輻照、超聲波振動使固體表面吸附的氣體脫附。
式中 K-系數(shù)，與溫度有關(guān)，K= f(T)S'/S;其中 S-是對某一種氣體的抽速，[L／S]；S7——是吸附表面的抽氣速率，此時為5L/(s．cm/)；
R-氣體常數(shù)，8·314[J/mol．K]；
T-熱力學(xué)溫度[K]；
E-脫附活化能[J/mol]。
把各種脫附活化能E代入式(16-4)中，就可以得到20℃下的壓力一時間曲線，圖16-2為在吸附一個分子層的器壁上具有不同脫附活化能的氣體，在20℃下出氣時容器內(nèi)壓力變化曲線。E≤63kj/mol的吸附氣體，在室溫下很快被抽走。E>126kj/mol的暖附氣體分子被束縛得很緊，其脫附量對壓力的影響很小。只有75kj/mol<E<105kj/mol的吸附氣體，在室溫下可以在較長時間內(nèi)引起較高的分壓力。例如在上述假定系統(tǒng)中，在室溫下11d內(nèi)均能產(chǎn)生7×10-10Pa的分壓力。如果在短時間內(nèi)可以產(chǎn)生更高的分壓力，如E=92kj/mol的氣體，在室溫下幾百小時仍保持10-7Pa的分壓力，這對獲得極高真空來說是一個困難。為了克服這個困難，系統(tǒng)必須烘烤。烘烤對表面脫附的影響可用圖16-3直觀地表示出來。假定裝置容積為1L，表面積為100cm2，抽速為1L/s，僅考慮單分子層吸附并假定脫附的分子不再被吸附，容器在22℃下，壓力達(dá)到10-8Pa、10-13Pa所需要的時間和E的關(guān)系用圖16-3(n)表示，E≤84kj/mol的氣體容易脫附，E≥167kj/mol的氣體脫附速度很慢。為了獲得低于10-13Pa以下的壓力，只要
化學(xué)吸附的情形屬于另外一種，它們有以下關(guān)系
式中 H。——化學(xué)吸附熱，[J/mol]；
E。——化學(xué)吸附所需的活化能，[J/mol]；
Ed-分子的解離能，[J/mol]。
固體表面吸附的氣體還可以用在10Pa～1Pa下惰性氣體的輝光放電來清除，也可以用電子、離子轟擊材料而使吸附氣體放出。也有用光輻照、超聲波振動使固體表面吸附的氣體脫附。
經(jīng)過烘烤、放電或轟擊以后，表面放出的水蒸氣顯著減少。不銹鋼系統(tǒng)，烘烤前放出的氣體中水蒸氣占90%。而烘烤去氣徹底以后，氫氣是放氣的主要成分，剩余的氣體尚有N2、02、00、C02、CH4等。氫氣是金屬在冶煉過程中溶解的氫向壁的真空側(cè)擴(kuò)散而放出的。CO、C02、CH4是固體表面和氣體間復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成的。在高溫下，金屬中溶解的碳擴(kuò)散到固體表面與金屬表面的氧氫以及水蒸氣發(fā)生反應(yīng)可以生成00、002、CH4。
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在切斷真空規(guī)的燈絲電源以后，C12峰顯著減少，此時系統(tǒng)壓力低于6.7×10-8 pa。尤其是水，在高溫下能分解為H2和O2
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在切斷真空規(guī)的燈絲電源以后，C12峰顯著減少，此時系統(tǒng)壓力低于6.7×10-8 pa。尤其是水，在高溫下能分解為H2和O2
