2024-01-23 13:29:00
吸氣劑(getters)是維持超高真空(UHV,Ultra-High Vacuum)狀態的重要組件。吸氣劑的作用是捕捉和移除殘余氣體分子,以保持超高真空狀態。吸氣劑主要分為兩大類:蒸散型吸氣劑和非蒸散型吸氣劑。
(蒸散型非摻氮吸氣劑)
· 原理:通過加熱蒸發吸氣劑材料,使其在表面形成一層新鮮的吸附層,從而吸附氣體分子。
· 常見材料:鋇(Ba)、鈣(Ca)、鈉(Na)等金屬。
· 應用:主要用于真空管、陰極射線管和部分高真空系統。
(非蒸散型鋯鋁吸氣劑)
· 原理:通過加熱激活吸氣劑材料,使其表面暴露出活性位點,以吸附氣體分子,不涉及材料的蒸發。
· 常見材料:鈦(Ti)、鋯(Zr)、釩(V)等金屬及其合金。
· 應用:廣泛用于超高真空系統,如粒子加速器、電子顯微鏡、衛星和空間探測器、MEMS器件等。
非蒸散型吸氣劑(NEG,Non-Evaporable Getters)是廣泛用于維持超高真空環境的重要材料。它們通過化學吸附和表面擴散的方式捕捉殘余氣體分子,不會蒸發或遷移,因此非常穩定和持久。
根據真空系統中的氣體種類、工作溫度和真空要求,選擇適當的非蒸散型吸氣劑。吸氣劑通常以片狀、絲狀、網狀或涂層的形式安裝在真空系統的內部,確保其與氣體有足夠的接觸面積。在使用前,吸氣劑需要進行預處理和激活,以增強其吸附能力。
(感應加熱激活吸氣劑)
非蒸散型吸氣劑需要在高溫下激活,以清除其表面的氧化層并提高吸附能力。激活過程包括:
1. 加熱:將吸氣劑加熱到特定溫度,通常在400°C到900°C之間,具體溫度視吸氣劑材料和真空系統要求而定。
2. 保持真空:在加熱過程中保持真空環境,以防止新鮮氧化層形成。
3. 降溫:激活完成后,逐漸降溫至工作溫度。
非蒸散型吸氣劑的壽命主要取決于其吸附容量和工作條件。每種吸氣劑材料都有一定的吸附容量,當達到飽和時,吸氣能力顯著降低;過高或過低的工作溫度會影響吸氣劑的吸附效率和壽命;不同氣體對吸氣劑的吸附能力不同,高濃度的特定氣體可能迅速消耗吸氣劑的吸附能力。
吸氣劑的激活方式主要有兩種:熱激活和電激活。每種方法都有其獨特的機制和應用場景。
熱激活是最常見的吸氣劑激活方式。通過加熱吸氣劑,使其表面的氧化層和其他污染物揮發或分解,從而暴露出活性金屬原子,增強其吸附能力。
熱激活的步驟
1. 安裝吸氣劑:將吸氣劑安裝在真空系統內部的適當位置。
2. 抽真空:啟動真空泵,使系統達到所需的低壓環境。
3. 加熱:
?、佟∩郎兀壕徛訜嵛鼩鈩?,通常采用電加熱或通過外部加熱設備。升溫速率應控制在適當范圍內,避免因熱沖擊導致材料損壞。
② 保持溫度:當達到預定的激活溫度時,保持該溫度一定時間,以確保充分激活。激活溫度和時間取決于吸氣劑材料,例如,Zr-Al合金通常在400°C到600°C之間激活,保持數小時。
4. 降溫:逐漸降溫至工作溫度,避免過快降溫引起的熱應力和裂紋。
電激活是一種通過電流直接加熱吸氣劑或其基材,從而去除表面氧化層和雜質,激活吸氣劑表面的方式。
電激活的步驟
1. 安裝吸氣劑:將吸氣劑安裝在真空系統內部,并連接電源。
2. 抽真空:啟動真空泵,使系統達到所需的低壓環境。
3. 通電:
?、佟〖与娏鳎和ㄟ^吸氣劑或其基材通入電流,利用電阻加熱效應加熱吸氣劑。電流的大小和持續時間根據吸氣劑材料和要求確定。
?、凇”3蛛娏鳎涸谶_到預定的激活溫度后,保持電流一定時間,確保充分激活。
4. 斷電和冷卻:逐漸減小電流,斷電后使吸氣劑自然冷卻至工作溫度。
通過對熱激活和電激活兩種方式的理解和選擇,可以根據實際需求和條件,優化吸氣劑的激活過程,確保其在超高真空系統中發揮最佳性能。
(某Zr-Al型吸氣劑對CO、H2的吸收曲線(圖左)與(圖右)某Zr-Ni-V-Fe-Re型吸氣劑對N2、CO、H2的吸收曲線)
吸氣劑的反復激活應用是指在使用過程中,通過多次激活吸氣劑來延長其使用壽命并維持其高效吸附性能。
吸氣劑的表面在吸附氣體分子后,逐漸被飽和,吸附能力下降。通過重新加熱或電激活,可以去除已吸附的氣體分子(例如通過分解或擴散的方式),使吸氣劑表面恢復活性,從而恢復其吸附能力。
熱激活
1. 預熱:將吸氣劑加熱至一定溫度,通常略低于初始激活溫度,以避免材料的過度退化。
2. 保持溫度:在預定溫度下保持一段時間,通常為數小時,以確保吸附的氣體分子充分解吸。
3. 冷卻:逐漸冷卻至工作溫度,避免因急冷導致材料損傷。
電激活
1. 通電加熱:通過電流直接加熱吸氣劑,達到所需溫度,電流大小和持續時間根據吸氣劑材料和吸附狀態確定。
2. 保持電流:在達到預定溫度后,保持電流一定時間,確保充分解吸。
3. 斷電冷卻:逐漸減小電流,斷電后自然冷卻至工作溫度。
吸氣劑的反復激活應用在超高真空系統中具有重要意義。通過熱激活和電激活的方法,可以有效恢復吸氣劑的吸附能力,延長其使用壽命,并維持系統的高真空度。合理設計和操作反復激活過程,可以提高設備的運行效率和可靠性,降低維護成本。
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