Inleiding tot ontgassing 11 januari 2022
4 min lezen
Er zijn verschillende factoren die bijdragen aan de gasbelasting van een systeem. Bij drukwaarden onder ~0,1 mbar is 'uitgassen' vaak het meest dominant.
Uitgassing is het resultaat van desorptie van eerder geadsorbeerde moleculen, bulkdiffusie, permeatie en verdamping. Adsorptie vindt plaats via twee hoofdprocessen, fysisorptie en chemisorptie, en kan worden beschreven met behulp van vijf (of zes) classificerende isothermen.
Door te kijken naar de desorptiesnelheid, pompsnelheid en re-adsorptie op oppervlakken kan de netto-uitgassing van het systeem worden berekend. In dit artikel delen we meer over het uitgassingsproces en de uitgassingssnelheden van gangbare materialen. Door de ontgassingssnelheid te verlagen, kunnen lagere vacuümdrukken worden bereikt.
Gasbelasting
Zoals te zien is in schema 1, kunnen bijdragen aan de gasbelasting van een systeem afkomstig zijn van:
- Initial of het 'bulk'-gas in het systeem
- Bezig met laden
- Teruglevering
- Lekken
- Ontluchting
Voor een lekdicht systeem in hoogvacuüm (HV) zonder procesbelasting kan ontgassing tot 100% van de gasbelasting bijdragen.
Diagram 1: Gasbelastingen in een vacuümsysteem
De relatieve bijdrage van verschillende soorten aan de gasbelasting varieert met de druk. Voor veel hoogspanningstoepassingen is waterdamp het grootste probleem op het gebied van uitgassing. Voor het bereiken van UHV in alle metalen systemen is H2-uitgassing echter van cruciaal belang. In de onderstaande tabel staan typische grote gasbelastingen bij verschillende drukwaarden.
| Druk (mbar) | Grote gasbelasting |
| Atmosphere | Lucht (N2, O2, H2, O, Ar, CO2) |
| 10-3 | Waterdamp (75-95%), N2, O2 |
| 10-6 | H2O, CO, CO2, N2 |
| 10-9 | CO, H2 CO2, H2O |
| 10-10 | H2, CO |
| 10-11 | H2, CO |
Er zijn 4 hoofdmechanismen die bijdragen aan uitgassing (weergegeven in het onderstaande schema):
- Verdamping van het eigenlijke oppervlaktemateriaal zelf (bij metalen is dit bij typische bedrijfstemperaturen verwaarloosbaar)
- Desorptie – dit is het omgekeerde proces van adsorptie; het vrijkomen van moleculen die gebonden zijn aan de oppervlakken van de kamer en interne fixtures
- Diffusie – dit is de beweging van moleculen van de binnenstructuur van het materiaal naar het oppervlak
- Permeatie – dit is de beweging van moleculen van de externe atmosfeer door de bulk naar het vacuümoppervlak
De mate waarin elk van deze factoren de uitgassing beïnvloedt, hangt af van de samenstelling van zowel het gas als het oppervlaktemateriaal (en de geschiedenis ervan). Uitgassingspercentages zijn de som van deze bijdragen.
Schema 2: mechanismen die bijdragen tot uitgassing
Berekening aan de hand van de vergelijking voor de uitgassingssnelheid
Onderstaande grafiek toont hoe de gasbelastingen worden berekend met behulp van de vergelijking voor de uitgassingssnelheid.
Houd er rekening mee dat de waarde van de vervalconstante een indicatie geeft van het materiaal en het uitgassingsmechanisme. Bijvoorbeeld door:
- α ≈ 1,1-1,2 ultraschone metalen oppervlakken
- α ≈ 1 metalen, glas en keramiek
- α ≈ 0,4-0,8 polymeren
- α ≈ 0,5-0,7 sterk poreuze oppervlakken
- α ≈ 0,5 diffusiegeregelde uitgassing uit de bulk
Typische uitgassingswaarden
In de onderstaande tabel delen we typische uitgassingswaarden, waarbij t = 1 uur.
Materiaal |
Gemiddeld (mbarls -1cm -2) |
Aluminium |
3,0 X 10-7 |
IJzer |
2,7 X 10-7 |
Messing |
1,5 x 10 -6 |
Koper |
2,3 x 10 -8 |
Gold |
1,1 x 10 -7 |
Zacht staal |
6,2 x 10 -7 |
Roestvast staal |
1,9 x 10 -7 |
Zink |
2,6 x 10 -7 |
Titanium |
1,0 x 1,0 -8 |
Pyrex |
9,9 x 10 -9 |
Neopreen |
4,0 x 10 -5 |
Viton A |
1,1 x 10 -6 |
PVC |
3,2 x 10 -6 |
PTFE |
1,4 x 10 -6 |
Samenvatting
Uitgassen is vaak de grootste bijdrage aan de gasbelasting van een systeem (vooral onder middenvacuüm) en beperkt de haalbare einddruk. Het gebeurt via verschillende processen, waaronder verdamping, desorptie, diffusie en permeatie. De belangrijkste bijdragen aan uitgassing zijn afhankelijk van het vacuümniveau, maar bij HV is dit voornamelijk te wijten aan waterdamp, terwijl waterstof het meest voorkomt bij het werken met metalen bij UHV.
Er zijn veel uitgassingssnelheden beschikbaar in de literatuur, maar deze variëren aanzienlijk. Hoewel variaties in de uitgassingssnelheden voornamelijk te wijten zijn aan de gebruikte meetmethode en de monstervoorbereiding, zou de ontwikkeling van een standaard voor snelheidsmeettechnieken waardevol zijn.
