表面吸附氣體的脫落
發布時間:2019-05-07 19:37:24 | 人感興趣 | 評分:3 | 收藏:
在極高真空系統中,表面脫附的氣體量、氣體成分以及減少脫附的實驗方法是非常重要的。已有不少文章給出了一些數據。為了定量地說明問題,這里仍然假定系統V= 100L.S=100L/s,表面積A=104cm2,粘著概率口= 0.5。用J.P.HobSon的方法,認為氣體分子完全沒有相互作用,由脫附氣體所產生的壓力
式中 K-系數,與溫度有關,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,8·314[J/mol.K];
T-熱力學溫度[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引起較高的分壓力。例如在上述假定系統中,在室溫下11d內均能產生7×10-10Pa的分壓力。如果在短時間內可以產生更高的分壓力,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,壓力達到10-8Pa、10-13Pa所需要的時間和E的關系用圖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)的結果。由此可以看出,去除表面吸附氣體,適當地烘烤是z*有效的辦法。由于烘烤會使氣體脫附的量降幾個數量級,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。
化學吸附的情形屬于另外一種,它們有以下關系
式中 H。——化學吸附熱,[J/mol];
E。——化學吸附所需的活化能,[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,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擴散而放出的。CO、C02、CH4是固體表面和氣體間復雜的化學反應生成的。在高溫下,金屬中溶解的碳擴散到固體表面與金屬表面的氧氫以及水蒸氣發生反應可以生成00、002、CH4。
實驗中發現,在切斷真空規的燈絲電源以后,C12峰顯著減少,此時系統壓力低于6.7×10-8 pa。尤其是水,在高溫下能分解為H2和O2,因而要盡量減少系統中殘存的水蒸氣。除了烘烤,冷凍也是減小水蒸氣的主要手段。它不僅可以把表面要解吸的水蒸氣凍住,也可以對水蒸氣產生一定的抽速,減少空間的水蒸氣。同時在較低溫度下的固體表面,碳與氫、氧的化學吸附概率也將變小。因為化學吸附概率是與e—E/RT成正比的。如果系統長期暴露于大氣中,為了避免水蒸氣的吸附,在打開容器前,引入干燥氮氣比較好。這樣做了以后,在室溫排氣裝置中,排氣時間可縮短到幾十分之一。系統打開前,充入氮氣至數百帕壓力,維持數分鐘,使表面充分吸附氮氣至飽和狀態之后,即可充人大氣。此時,由于容器壁已經充分吸附了氮氣,空氣中的水蒸氣就很少被吸附到器壁表面上。即使吸附,結合也是很弱的。
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