Pfeiffer Vacuum

1.3.3 解吸、扩散、渗透和泄漏

除水之外,其他物质,如真空泵工作也可吸附在表面。物质 也可从金属壁中扩散出来,这在残余气体中可检验出来。在 特别严格要求的情况下,不锈钢容器可在真空条件下烘烤, 从而促使大多数挥发性成分从金属壁中挥发出来。

解吸

气体分子(特别是水)通过吸附和吸收粘着在真空室的表面 上,并在真空下再次逐渐解吸。在真空系统中,金属和玻璃 表面的解吸率产生的气体产量随覆盖率下降、随时间的推移 而下降。通过假设在给定时间点$t \gt t_0$ 后,下降将在线性基 础上随时间的推移而发生,则可得到很好的近似值。$t_0$ 通常假定为一小时。

气体产量因此可描述为:

\[Q_\mathrm{des}=q_\mathrm{des}\cdot A\cdot\frac{t_0}t\]

公式 1-32: 解吸率

$Q_\mathrm{des}$ 解吸率 [Pa m3 s-1]
$q_\mathrm{des}$ 解吸流密度 (特定面积) [Pa m3 s-1 m-2]
$A$ 面积 [m2]
$t$ 时间 [s]

带解吸的扩散

在低于 10-6 hPa 的作业中,塑料表面的解吸,特别是密封 件,承担着更大的作用。塑料主要释放溶解于这些塑料的气 体,这些气体首先必须扩散在表面。因此,随着泵停机时间 的延长,从塑料中的解吸相比于从金属表面而言占主导地 位。虽然密封件的表面积相对较小;其解吸率随时间的下降 远远慢于金属表面解吸率的下降。作为近似值,可假定随时 间的下降将在时间的平方根上发生。

塑料表面产生的气体因此可描述为:

\[Q_\mathrm{diff}=q_\mathrm{diff}\cdot A_d\cdot\sqrt\frac{t_0}t\]

公式 1-33: 塑料的解吸率

$Q_\mathrm{diff}$ 扩散率 [Pa m3 s-1]
$q_\mathrm{diff}$ 扩散流密度 (特定面积) [Pa m3 s-1 m-2]
$A_d$ 容器中的塑料 材料表面 [m2]
$t$ 时间 [s]

类似的效果也发生在压力甚至更低的金属中,其中,氢和碳 以 CO 和 CO2 的形式逸出,并可在残余气体谱中看到。在这 方面,公式 1-33 也适用。

渗透和泄漏

密封件,甚至金属壁,通过扩散都可被小的气体分子渗透, 如氦。 由于该过程不是时间的原因,因此其导致所需极限压力持续 增加。渗透气流与整个壁厚的压力梯度和材料有关的渗透常 数成正比。

\[Q_\mathrm{perm}=k_\mathrm{perm}\cdot A\cdot\frac{p_a}d\]

公式 1-34: 渗透

$Q_\mathrm{perm}$ 扩散率 [Pa m3 s-1]
$p_a$ 容器外的压力 [Pa]
$d$ 壁厚 [m]
$A$ 容器表面 [m2]
$k_\mathrm{perm}$ 渗透常数 [m2 s-1 ]

渗透首先在压力低于 10-8 hPa 时表现出来。

$Q_L$ 描述泄漏率,即气体流量,其通过泄漏进入真空系统。泄 漏率被定义为压力在一定体积时随时间的上升:

\[Q_L=\frac{\Delta p\cdot V}{\Delta t}\]

公式 1-35: 泄漏率

$Q_L$ 泄漏率 [Pa m3 s-1]
$\Delta p$ 测量期间的 压力变化 [Pa]
$V$ 体积 [m3]
$\Delta t$ 测量期间 [s]

如果以体积流量 $S$ 对容器进行连续抽空,在吞吐量(公式 1-16)等于泄漏率 $Q_L = S\cdot p_\mathrm{eq}$. 时,将会产生平衡压力$p_\mathrm{eq}$。

如果平衡压力 $p_\mathrm{eq}$ 大约是工作压力的 10 % ,则认为系统足够 紧密。举例而言,如果要获得的工作压力为 10-6 hPa 且正在 使用的真空泵抽速为 100 l s-1, 泄漏率应该不超过 s 10-6 Pa m3 s-1

可在干净的不锈钢容器中轻松获得泄漏率 $Q_L$ < 10-9 Pa m3 s-1

在给定时间 段 $t$ 后可实现的极限压力主要取决于上述的所 有影响以及真空泵的抽速。前提当然是,相对于真空泵的底 压,极限压力将较高。

\[Q_\mathrm{des}(t) + Q_\mathrm{diff}(t) + Q_\mathrm{perm} + Q_L = p(t)\cdot S\]

公式 1-36: 由于时间原因的极限压力

对于给定的抽吸时间t,通过使用 公式 1-36 以及求解时间有 关的方程,可计算各种气体流量及产生的压力。可实现的极 限压力是这些压力之和。