흡착 펌프는 어떻게 작동합니까?
"흡착 펌프"라는 용어에는 흡착을 통해 공간으로부터 기체 및 증기를 제거하는 모든 방식을 포함합니다. 따라서 펌핑된 기체 입자는 물리적 온도 의존적 흡착력(반데르발스 힘), 화학흡착, 흡수 또는 새로운 흡수 표면의 지속적인 형성 과정에서 포매되어 표면 또는 이러한 물질의 내부에 결합됩니다. 작동 원리를 비교함으로써, 기체 수착이 온도 제어 흡착 공정을 통해 이루어지는 흡착 펌프와 기체 흡수 및 유착이 기본적으로 화학 화합물 형성으로 인해 발생하는 게터 펌프를 구분할 수 있습니다. 게터링은 대체로 금속으로 이루어지고 산화물이나 탄화물 층으로 덮이지 않은 순수한 층에 기체가 접착하는 것입니다. 이러한 표면은 항상 시스템 제조, 설치 또는 환기 중에 형성됩니다. 대체로 금속인 고순도 게터 표면은 증발(증발기 펌프)에 의해 또는 스퍼터링(스퍼터 펌프)이나 진공의 탈기로 인한 게터의 부동태화 표면층(금속)의 제거로 인해 지속적으로 생성됩니다. 이를 통해 순수한 물질이 진공에 노출됩니다. 이 단계를 활성화(NEG 펌프 NEG = 비증발형 게터)라고 합니다.
흡착 펌프의 작동 원리
흡착 펌프(그림 2.59)는 분자체 표면 또는 기타 흡착 물질(예: 활성 Al2O3)에서 기체를 물리적으로 흡착하는 원리에 따라 작동합니다. 제올라이트 13X가 흡착 물질로 자주 사용됩니다. 이 알칼리 알루미노실리케이트는 약 1000m2/g 고체 물질에 해당하는 큰 표면 영역을 가진 질량을 함유하며, 이에 따라 기체를 주입할 수 있는 능력이 상당합니다.
그림 2.59 흡착 펌프의 설계를 보여주는 단면.
- 흡입구 포트
- 탈기 포트
- 지지대
- 펌프 본체
- 열전도 베인
- 흡착 물질(예: 제올라이트)
제올라이트 13X의 공극 직경은 약 13Å이며, 이는 수증기, 오일 증기 및 대형 기체 분자(약 10Å)의 크기 범위 내에 있습니다. 평균 분자 직경이 이 값의 절반인 5 · 10-8cm라고 가정하면 약 5 · 1018개의 분자가 1m2 표면의 단층으로 흡수됩니다. 상대 분자 질량이 Mr = 28인 질소 분자의 경우 약 2 · 10-4g or 0.20mbar · l에 해당합니다. 따라서 1000m2의 흡착 표면은 133 mbar · l 이상의 기체가 결합되는 단분자층을 흡착할 수 있습니다.
헬륨 및 네온과 같은 수소 및 가벼운 희귀 기체는 제올라이트 13X의 공극 크기 13Å에 비해 입자 직경이 상대적으로 작습니다. 따라서 이러한 기체는 좀처럼 흡수되지 않습니다.
열과 압력이 기체 흡착에 미치는 영향
표면의 기체 흡착은 온도뿐 아니라 흡착면 위의 압력에 따라서도 달라집니다. 그림 2.60에 나와 있는 흡착 등온선으로 몇 가지 기체에 대한 변화를 그래픽으로 나타낼 수 있습니다. 실제로 흡착 펌프는 밸브를 통해 배출할 용기로 연결됩니다. 펌프 본체를 액체 질소에 담가 수착 효과가 기술적으로 유용한지 확인합니다. 다양한 흡착 특성으로 인해 흡착 펌프의 펌핑 속도와 최종 압력은 다양한 기체 분자에 따라 달라지며, 질소, 이산화탄소, 수증기 및 탄화수소 증기에 대해 최상의 값을 얻을 수 있습니다. 입자의 직경이 제올라이트 공극에 비해 작기 때문에 가벼운 희귀 기체는 거의 펌핑되지 않습니다. 제올라이트 표면의 범위가 넓을수록 흡착 효과가 감소함에 따라 펌핑 속도가 떨어지고 이미 흡수된 입자의 수는 증가합니다. 따라서 흡착 펌프의 펌핑 속도는 이미 펌핑된 기체의 양에 따라 달라지므로 시간에 따라 일정하지 않습니다.
그림 2.60 -195°C(-319°F)~20°C(68°F)에서의 질소 및 -195°C(-319°F)에서의 헬륨 및 네온에 대한 제올라이트 13X의 흡착 등온선
흡착 펌프를 통해 얻을 수 있는 최종 압력은 먼저 펌핑 공정 시작 시 용기 내에 주를 이루는 기체와 제올라이트 표면에서 거의 흡착되지 않은 기체(예: 네온 또는 헬륨)에 따라 결정됩니다. 대기 공기에서는 이러한 기체가 몇 ppm 가량 존재합니다. 따라서 10-2mbar 미만의 압력을 얻을 수 있습니다.
흡착 펌프만으로 10-3mbar 미만의 압력을 생성할 경우, 기체 혼합물에 네온 또는 헬륨이 존재하지 않아야 합니다.
펌핑 공정 후 펌프는 흡착된 기체가 배출되고 제올라이트가 재생될 수 있는 실내 온도까지만 가열되어야 합니다. 많은 수증기를 포함하는 공기(또는 습한 기체)가 펌핑된 경우 펌프를 200°C(392°F) 이상에서 베이크하여 완전히 건조시키는 것이 좋습니다.
큰 용기를 펌핑하기 위해 여러 흡착 펌프가 병렬 또는 직렬로 사용됩니다. 먼저 헬륨과 네온의 여러 희귀 기체 분자를 "포착"하기 위해 압력이 대기압에서 몇 밀리바 가량 줄어듭니다. 이 단계에서 펌프가 포화 상태가 된 후, 이러한 펌프의 밸브가 폐쇄되고 이전에 밸브가 폐쇄되었지만 깨끗한 흡착제가 포함된 흡착 펌프의 밸브가 다시 개방되므로 이 펌프는 진공 챔버에서 더 낮은 압력으로 펌핑될 수 있습니다. 이 절차는 더욱 깨끗한 흡착 펌프를 추가하여 최종 압력을 더 높일 수 없을 때까지 계속 진행할 수 있습니다.
승화 펌프란 무엇입니까?
승화 펌프는 게터 물질이 증발하여 차가운 내벽에 게터 막으로 침전되는 흡착 펌프입니다. 이러한 게터 막의 표면에서는 기체 분자가 안정적인 화합물을 형성하고, 이 화합물은 측정할 수 없는 낮은 증기 압력을 갖습니다. 활성 게터 막은 이후 증발에 의해 갱신됩니다. 일반적으로 티타늄이 승화 펌프의 게터로 사용됩니다. 티타늄은 전류가 가열되는 높은 티타늄 함유량의 특수 합금으로 만든 와이어에서 증발됩니다. 최적의 흡착 능력(증발된 티타늄 원자 하나당 질소 원자 약 1개)은 실제로 얻을 수 없지만 티타늄 승화 펌프는 활성 기체에 대해 매우 높은 펌핑 속도를 가지며, 특히, 공정 시작 시나 더 많은 양의 기체가 급속도로 진화할 때 이러한 기체가 빠르게 펌핑될 수 있습니다. 승화 펌프는 스퍼터 이온 펌프 및 터보분자 펌프의 보조 펌프(부스터)로 작동하기 때문에 필수적으로 설치해야 하는 경우가 많습니다(증기 이젝터 펌프의 "부스터"와 같음, 자세한 내용은 오일 확산 펌프 페이지 참조).
