3.4.3. Значение сорбции, десорбции и давления паров для вакуумной техники

Выводы, которые можно сделать из формулы (3.28) для техники и технологии высокого вакуума, имеют фундаментальное значение. Если задача заключается в том, чтобы количество частиц на поверхностях, находящихся в вакууме, оставалось как можно более малым, следует при достаточно низком давлении p – обеcпечить как можно более высокую температуру десорбирующей поверхности Тs, тем более высокую, чем выше энергии связи Wдес адсорбированных газов, Такая ситуация возникает при обезгаживании вакуумной системы во время откачки. Процесс обезгаживания должен продолжаться тем дольше и происходить при тем более высокой температуре, чем более загрязнены поверхности.

На, фиг. 3.18 представлены кривые изменения давления (в торах) кислорода над окислами (и азота над нитридами) некоторых металлов в зависимости от температуры. Величина давления паров является мерой скорости разложения этих соединении и поэтому указывает на степень трудности удаления с поверхностей металлов химически связанных газов.

Для сохранения высокого вакуума в уже обезгаженной вакуумной установке (путем адсорбционного захвата газов и по следующего их удержания) необходимо температуру поверхности Тs сохранять по возможности низкой, тем ниже, чем слабее вещество поверхности удерживает находящиеся в установке газы (чем меньше энергия связи). Такая ситуация возникает, когда после обезгаживания вакуумной установки хотят улучшить вакуум с помощью охлаждаемых адсорбирующих поверхностей (криогенных панелей). В целом поддержание высоковакуумной установки при низкой температуре всегда полезно, так как это способствует уменьшению десорбции газов со стенок, а также снижению давления паров. Однако необходимо предварительно (при откачке) основательно прогреть все элементы вакуумной системы, чтобы в ней не осталось веществ (например, паров воды, двуокиси углерода), имеющих температуру вымораживания более высокую, чем та, которая ожидается в установке.

Вопрос о давлении паров различных веществ в технике высокого вакуума имеет два аспекта.

Первый касается паров так называемых высоковакуумных металлов, т. е. металлов, применяемых для изготовления электродов и других устройств, работающих при высоких или повышенных температурах. Для такого применения пригодны металлы, обладающие низким давлением паров при высоких температурах (фиг. 3.14).

Второй аспект касается паров воды, ртути, масел, смазок и герметиков. Понижение температуры влечет за собой конденсацию, а затем затвердевание этих материалов. Естественно, что при этом давление паров понижается, что приводит к улучшению вакуума. На этом принципе основаны вымораживающие устройства (различные ловушки) и криогенные насосы. Например, если в объеме, где имеется невысокий вакуум, охладить какую-либо поверхность до температуры жидкого гелия (~4 К), то на этой поверхности сконденсируются многие газы (исключая гелий), а давление большинства газов (собственно, давление их насыщенных паров) окажется ниже 10-12 Тор. При этой температуре остаются в газообразном состоянии только гелий под его парциальным давлением и водород, давление паров которого, в соответствии с данными фиг. 3.15, составит ~10-7Тор.

Дальнейшее понижение температуры (например, путем понижения давления гелия в вымораживающем устройстве при его быстром испарении) ниже 4 К приводит к дополнительному уменьшению давления водорода, так что практически в вакуумной системе остается один гелий.