Адсорбция

Три легких газа Н₂, Не и Ne нельзя откачивать посредством конденсации, поэтому их приходится адсорбировать. Для этой цели используется активированный или древесный уголь, полученный из скорлупы кокоса, древесины или других органических материалов. Обработка древесного угля паром при высоких температурах создает огромные эффективные площади, равные 1000 м²/г или более. После этого уголь имеет взаимосвязанную сеть мельчайших каналов или трещин с жестко контролируемым размером пор в пределах от 10 до 30 ангстрем. Молекула газа, применяющая посадку на наружной поверхности угля, теряет кинетическую энергию по мере охлаждения до 10-12 К. Такие слабо удерживаемые молекулы затем быстро диффундируют во внутренний объем древесного угля. При этих значениях температуры молекулы водорода могут удерживаться при очень низких равновесных значениях давления пара, в таких случаях на поверхности угля адсорбируется до одного мономолекулярного слоя газа. Хотя такие результаты не впечатляют, но 10¹⁵ атомов/см², адсорбированных граммом древесного угля (приблизительно одна чайная ложка), составляют 200 см³ водорода. Количество древесного угля, умещающееся в руке человека, может адсорбировать 10-20 л газа. Слой гранул древесного угля или шариков прикрепляется к листам меди с помощью совместимой с вакуумом эпоксидной смолы или других клеев.

Удивительная способность холодного активированного угля адсорбировать газ демонстрируется уменьшением давления пара. Плоская медная поверхность при 12 К будет удерживать только небольшую долю мономолекулярного слоя водорода, выходя на равновесное давление, равное приблизительно 20Торр. Если добавить 50-100 граммов древесного угля на поверхность меди, можно адсорбировать многие литры газа, прежде чем будет достигнуто равновесное давление, равное приблизительно 10^-10-10^-8 Торр. Это означает уменьшение давления на 12 порядков с помощью такого простого приема.
Уголь используется вместо цеолитов, поскольку он гидрофобен. Другими словами, во время регенерации крионасоса любой адсорбированный водяной пар может быть удален из древесного угля посредством нагревания до 30-40 °С вместо 200-250 °С - температуры, которая требуется для цеолитов. Активированный уголь, используемый в криогенных насосах, обрабатывают при очень высоких температурах для получения почти чистого углерода с небольшим количеством примесей. Поскольку и уголь, и клей имеют температуру приблизительно 12 К, всякий раз, когда открывается высоковакуумный клапан и насос соединяется с остальной частью вакуумной системы, эти поверхности всегда являются газопоглотителями и никогда не являются источниками выделения газа.

Рабочая температура древесного угля влияет на то количество газа, которое может быть удержано при данном равновесном давлении. При 10-15 К грамм древесного угля будет удерживать приблизительно 200 см³ водорода при 5* 10^-6 Торр или приблизительно 100 см³ при 5*10^-8 Торр. Это нормальные условия использования криогенного насоса при максимальной сорбционной емкости. Температуры ниже 10 К не улучшают сорбционную емкость, хотя более низкие предельные значения можно получить в чистых, термически обработанных системах сверхвысокого вакуума при малых водородных нагрузках. При высоких водородных газовых нагрузках, создающих значения парциального давления 10^-5 Торр и выше, очень низкие температуры углерода являются вредными. Водород не способен диффундировать внутрь гранул угля достаточно быстро, чтобы сохранить низкие значения давления. Вместо этого сорбционная емкость древесного угля в диапазоне от 12 до 14 К является оптимальной для сохранения постоянной быстроты действия. Однако при температурах выше 25 К сорбционная емкость угля по водороду быстро падает, но он обладает способностью адсорбировать (откачивать) многие другие газы, в частности такие, как азот или аргон, при температурах значительно выше 90 К.

Гелий адсорбируется труднее водорода. Насос, который может адсорбировать до 20 литров водорода, удерживая значения давления ниже 5 * 10^-6 Торр, может адсорбировать только 5 см³ гелия при том же максимальном уровне давления. К счастью, гелий представляет собой всего лишь незначительную часть нашей атмосферы. Очень низкая сорбционная емкость по гелию препятствует использованию криогенных насосов для любых процессов, в результате которых гелий выделяется в вакуумную камеру. Также необходимо, чтобы гелий оставался всего лишь незначительной примесью в любом другом технологическом газе, - условие, которое не всегда выполняется. В частности коммерческие поставщики баллонного газа и сепараторных установок воздуха не могут считать гелий или неон в качестве примесей, когда сертифицируют чистоту аргона и азота. Присутствие 10-100 частей на миллион в технологическом потоке газа может быстро вызвать проблемы с базовым давлением в системах крионасосов.