吸附幫浦如何運作？

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「吸附幫浦」一詞包含透過吸附的方式從空間中去除氣體與蒸氣的所有安排方式。抽排的氣體微粒會透過物理溫度相關吸附力 (凡得瓦爾力)、化學吸附、吸收或在持續形成新吸附表面的過程中變為內嵌，藉此鏈結於這些介質的表面或內部。透過比較其操作原理，我們可以區分氣體的吸附只藉由溫度受控的吸附製程發生的吸附幫浦，以及氣的吸附與保留基本上都是由化學化合物的形成所導致的吸附幫浦。吸附是指氣體吸附到純的、大部分為金屬，且未由氧化或碳化層覆蓋的表面。此類表面始終會在製造、安裝或通風系統期間形成。大部分為金屬的最高純度吸附表面為透過蒸鍍 (蒸鍍機幫浦) 或濺鍍 (濺鍍幫浦) 直接在真空中產生，或者透過為真空除氣來去除吸附 (金屬) 的鈍化表面層，使純材料暴露於真空中。此步驟稱為活化 (NEG 幫浦 NEG = 非蒸散型吸附)。

吸附幫浦的運作原理

吸附幫浦 (見圖 2.59) 依據氣體以物理方式吸附於分子篩網或其他吸附材料 (例如活化的 Al₂O₃) 表面上的原理運作。沸石 13X 經常作為吸附材料使用。此鹼性鋁矽酸鹽會佔據一大塊材料非常大的表面區域，約 1000 m²/g 的固態物質。相應地，其佔用氣體的能力是相當可觀的。

圖 2.59 顯示設計的吸附幫浦的橫截面。

進氣口
除氣口
支撐
幫浦本體
熱傳導葉片
吸附材料 (例如沸石)

沸石 13X 的孔徑約為 13 Å，這在水蒸氣、油蒸氣及較大氣體分子 (約 10 Å) 的大小量級之內。假定平均分子直徑為此值的一半，5 · 10^-8 cm，會在 1 m² 的表面上的單層中吸附約 5 · 10¹⁸ 個分子。相關分子質量 Mr = 28 的氮分子對應於約 2 · 10^-4g 或 0.20 mbar · l。因此，1000 m2 的吸附表面就能夠吸附鏈結超過 133 mbar · l 的氣體的單分子層。

氫氣與質輕惰性氣體，例如氦與氖，相較於沸石 13X 的 13 Å 孔徑，都有相對較小的微粒直徑。因此，這些氣體的吸附能力都很差。

熱與壓力如何影響氣體的吸附

氣體在表面上的吸附不僅僅取決於溫度，更重要的是吸附表面上方的壓力。圖 2.60 以吸附等溫線圖形表示了一些氣體的相依性。實務上，吸附幫浦是透過閥連接到要抽真空的容器。在以液態氮浸沒過幫浦本體時，吸附效果在技術上才有用。由於有不同的吸附屬性，吸附幫浦的抽氣速度與極限真空壓力對各種氣體分子都不同：氮、二氧化碳、水蒸氣與碳氫化合物蒸氣都能達到最佳值。質輕惰性氣體幾乎一點都抽排不出，因為相較於沸石孔，微粒的直徑很小。由於吸附效果會隨著沸石表面的覆蓋增加而降低，抽氣速度也會隨著已吸附微粒數的增加而降低。因此，吸附幫浦的抽氣速度取決於已抽排的氣體量，因此在一段時間內並不是恆定的。

圖 2.60 沸石 13X 對於氮在 -319°F (-195°C) 與 68°F (20°C) 時，以及氦與氖在 -319°F (-195°C) 時的吸附等溫線。

在第一種情況下，吸附幫浦可達到的極限真空壓力由在抽氣製程開始時在容器中佔主導地位且在沸石表面上吸附不佳或一點都不會吸附的氣體 (例如氖或氦) 決定。在大氣中，這些氣體僅存在幾個百萬分比而已。因此，可以得到壓力 < 10^-2 mbar。

如果低於 10^-3 mbar 的壓力要專門以吸附幫浦產生，氣體混合中應盡可能不含氖或氦。

在抽氣製程之後，幫浦必須只加熱到室溫，才能釋放吸附的氣體，沸石也才能再生供重複使用。如果抽排了包含大量水蒸氣的空氣 (或濕氣)，建議以 392°F (200°C) 的溫度將幫浦完全烘乾幾小時的時間。

若要抽吸較大容器，則需要併聯或串聯使用幾部吸附幫浦。首先，第一個級段會將壓力從大氣壓力降低到幾 millibar，藉以「捕捉」氦與氖的許多惰性氣體分子。在此級段的幫浦飽和之後，這些幫浦的閥會關閉，而之前關閉且仍包含乾淨吸附劑的較遠吸附幫浦的閥會開啟，以便此幫浦能夠將真空腔室抽吸到下一個更低的壓力層級。此程序可以繼續到新增更多乾淨的吸附幫浦也無法進一步改善極限真空壓力為止。

什麼是昇華幫浦？

昇華幫浦是吸附材料會作為吸附膜在冷內壁上蒸鍍及沉積的吸附幫浦。在此類吸附膜的表面上，氣體分子會形成穩定的化合物，這些化合物會有測量不出的低蒸汽壓力。活化吸附膜可透過後續蒸鍍恢復。一般而言，會在昇華幫浦中使用鈦作為吸附。鈦會從由高鈦含量的特殊合金製成的金屬絲在電流加熱時蒸鍍。儘管在實務上幾乎很難以達到最佳吸附容量 (每個蒸鍍的鈦原子中約有一個氮原子)，但鈦昇華幫浦對於活性氣體而言具有特別高的抽氣速度，特別是在開始製程或突然演化大量氣體時，可以快速抽排這些氣體。由於昇華幫浦可作為濺鍍離子幫浦與渦輪分子幫浦的輔助幫浦 (增壓器) 使用，其安裝經常是不可或缺的 (例如蒸氣噴射幫浦中的「增加器」；詳細資訊請參閱油擴散幫浦的頁面)。

部落格與 Wiki 幫浦類型真空產生真空基礎說明