吸着ポンプはどのように機能しますか？

「吸着ポンプ」という用語には、吸着方法によるガスおよび蒸気の除去に関するすべての仕組みが含まれます。排気されたガス粒子は、物理的な温度依存型吸着力（ファンデルワールス力）、化学吸着、吸収、または新しい吸着面の連続形成過程で埋め込まれることによって、これらの物質の表面または内部に結合します。その動作原理を比較することで、温度制御された吸着プロセスだけでガスの吸着が行われる吸着ポンプと、ガスの吸着と保持が化学物質の形成によって本質的に行われるゲッターポンプに区別されます。ゲッタリングとは、酸化物やカーバイド層で覆われていない純粋な金属面へのガスが結合することです。このような表面は、製造、設置、またはシステムの通気中に常に形成されます。ほとんどの金属で最高純度のゲッター表面は、蒸着（エバポレーターポンプ）またはスパッタリング（スパッタポンプ）によって真空内に直接生成されるか、真空中の脱ガスによりゲッター（金属）の不動態化表面層が除去されて、純物質は真空中にさらされます。このステップは活性化と呼ばれます（NEGポンプNEG =非蒸発性ゲッター）。

吸着ポンプの作動原理

吸着ポンプ（図2.59を参照）分子ふるいやその他の吸着材料（例：活性化Al₂O₃）の表面におけるガスの物理的吸着原理に基づいて動作します。ゼオライト13Xは吸着材料としてよく使用されます。このアルカリアルミノケイ酸塩は、物質の質量に対して約1000 m²/gという非常に大きな表面積を持っています。そのため、ガスを取り込む能力は相当なものです。

図2.59設計を示す吸着ポンプの断面図。

吸気ポート
脱ガスポート
サポート
ポンプ本体
熱伝導ベーン
吸着材料（ゼオリスなど）

ゼオライト13Xの孔径は約13Åで、水蒸気、油蒸気、および大きなガス分子のサイズの順になります（約10 Å）。平均分子直径がこの値の半分、5・10^-8 cmであると仮定すると、約5・10¹⁸の分子が1 m²の表面上に単層で吸着します。相対分子量Mr = 28の窒素分子の場合、約2・10^-4gまたは0.20 mbar・lに相当します。したがって、1000 m2の吸着面は、133 mbar lを超えるガスが結合した単分子層を吸着することができます。

水素およびヘリウムやネオンなどの軽い希ガスは、ゼオライト13Xの孔径13 Åに比べて、粒子径が比較的小さくなっています。したがって、これらのガスは吸着が非常に困難です。

熱と圧力がガスの吸着に与える影響

表面でのガス吸着は、温度だけでなく、より重要なのは吸着面上の圧力に依存することです。依存性は、図2.60に示す吸着等温線によっていくつかのガスについてグラフで表されます。実際には、吸着ポンプはバルブを介して排気する容器に接続されています。ポンプ本体を液体窒素に浸すことで、吸着効果を技術的に利用することができます。吸着特性が異なるため、吸着ポンプの排気速度と到達圧力は、さまざまなガス分子で異なります。窒素、二酸化炭素、水蒸気、炭化水素蒸気に最適な値が得られます。軽希ガスは、ゼオライトの細孔に比べて粒子径が小さいため、ほとんど排気されません。ゼオライト表面の被覆率に従って吸着効果が減少するにつれて、吸着している粒子の数が増加するとともに排気速度が低下します。そのため、吸着ポンプの排気速度は、既に排気されているガスの量に依存するため、時間に対して一定ではありません。

図2.60 -195℃（-319℉）および20℃（68℉）での窒素、および-195℃（-319℉）でのヘリウムおよびネオンのゼオライト13Xの吸着等温線

吸着ポンプで達成可能な到達圧力は、排気プロセスの開始時に容器内に存在し、ゼオライト表面への吸着が不十分か全くないガス（例えばネオンやヘリウム）によって決定されます。大気中には、これらのガスは数ppmしか存在しません。したがって、10^-2 mbar未満の圧力が得られます。

10^-3 mbar未満の圧力を吸着ポンプで生成する場合は、ガス混合物にネオンやヘリウムをできるだけ含まないようにしてください。

排気プロセスの後、吸着したガスを放出し、ゼオライトを再使用するために再生するには、ポンプを室温まで温めておく必要があります。大量の水蒸気を含む空気（または湿ったガス）を排気した場合は、200℃（392℉）以上でポンプを数時間完全に乾燥させることをお勧めします。

より大きな容器を排気するために、複数の吸着ポンプを並列または直列で使用します。まず、ヘリウムとネオンの多くの希ガス分子を「捕捉」するために、第1段階で大気圧から数ミリバールまで圧力が下げられます。この段階のポンプが飽和状態になった後、これらのポンプへのバルブが閉じ、まだきれいな吸着剤を含む別の吸着ポンプへの以前に閉じられたバルブが開かれ、このポンプが真空チャンバーを次の低い圧力レベルまで排気できるようになります。この手順は、さらにクリーンな吸着ポンプを追加しても到達圧力をこれ以上向上させることができなくなるまで続行できます。

サブリメーションポンプとは？

サブリメーションポンプは、ゲッター材料が蒸発し、低温の内壁にゲッター膜として付着させる吸着ポンプです。このようなゲッター膜の表面では、ガス分子は安定した化合物を形成し、その中には測定不可能な低い蒸気圧があります。アクティブなゲッター膜は、その後の蒸発によって再生されます。一般的にチタンは、サブリメーションポンプでゲッターとして使用されます。チタンは、電流で加熱される高チタン含有の特殊合金でできたワイヤーから蒸発します。最適な吸着能力（蒸発したチタン原子ごとに約1つの窒素原子）は実際にはほとんど得られませんが、チタンサブリメーションポンプは、活性ガスに対して非常に高い排気速度を発揮します。特にプロセスの開始時や大量のガスが急激に発生した場合に、急速に排気されます。サブリメーションポンプは、スパッタイオンポンプおよびターボ分子ポンプの補助ポンプ（ブースター）として機能するため、多くの場合、それらの取り付けは不可欠です（蒸気エジェクターポンプの「ブースター」同様。詳細については、油拡散ポンプのページを参照してください）。

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