真空技术书籍,第二版

1.3.3 解吸、扩散、渗透和泄漏

除水之外,其它物质,如真空泵工作液也可吸附在表面。 物质也可从金属壁中扩散出来,这在残余气体中可检验出来。 在特别严格要求的情况下,不锈钢容器可在真空条件下烘烤, 从而促使大多数挥发性成分从金属壁中释放出来。

解吸

气体分子(特别是水)通过吸附和吸收粘着在真空室的内表 面上, 并在真空下再次逐渐解吸。在真空系统中,金属和玻 璃表面因解吸所产生的放气量随覆盖率的下降和时间的推移 而下降。一般假设在给定时间点$t > \gt t_0$ 后, 下降将以线性规律 随时间变化,就能得到很好的近似值。$t_0$ 通常假定为一小时。

气体量因此可描述为:

\[Q_\mathrm{des}=q_\mathrm{des}\cdot A\cdot\frac{t_0}t\]

公式 1-32: 解吸率

$Q_\mathrm{des}$ 解吸率 [Pa m3 s-1]
$q_\mathrm{des}$ 解吸流密度 (特定面积) [Pa m3 s-1 m-2]
$A$ 面积 [m2]
$t$ 时间 [s]

带解吸的扩散

在低于 10-6 hPa 的作业中,塑料, 特别是密封件的表面解吸 影响更大。塑料释放的主要是溶解于这些塑料内部的气体, 这 些气体首先必须扩散到表面。因此,随着泵停机时间的延长, 从塑料中解吸出的气体相比于从金属表面而言占主导地 位。 虽然密封件的表面积相对较小;其解吸率随时间的下降却 远远慢于金属表面解吸率的下降。作为近似值,可假定解析下 降过程随时间的平方根变化。

塑料表面产生的气体因此可描述为:

\[Q_\mathrm{diff}=q_\mathrm{diff}\cdot A_d\cdot\sqrt\frac{t_0}t\]

公式 1-33: 塑料的解吸率

$Q_\mathrm{diff}$ 扩散率 [Pa m3 s-1]
$q_\mathrm{diff}$ 扩散流密度 (特定面积) [Pa m3 s-1 m-2]
$A_d$ 容器中的塑料 材料表面积 [m2]
$t$ 时间 [s]

类似的情况也发生在压力更低的金属中,其中, 氢和碳以 CO 和 CO2 的形式逸出,并可在残余气体谱中看到。在这方 面, 公式 1-33 也适用。

渗透和泄漏

密封件,甚至金属壁,通过扩散都可被小的气体分子渗透, 比如氦。 由于该过程不是时间的函数,因此导致极限压力持续增加。 渗透气体量与横跨壁厚的压力梯度和材料相关的渗透常数成 正比。

\[Q_\mathrm{perm}=k_\mathrm{perm}\cdot A\cdot\frac{p_a}d\]

公式 1-34: 渗透量

$Q_\mathrm{perm}$ 扩散率 [Pa m3 s-1]
$p_a$ 容器外的压力 [Pa]
$d$ 壁厚 [m]
$A$ 容器表面积 [m2]
$k_\mathrm{perm}$ 渗透常数 [m2 s-1 ]

渗透首先在压力低于 10-8 hPa 时表现出来。

用 $Q_L$ 描述漏孔漏率,即通过漏孔进入真空系统的气体流 量。泄漏率可定义为压力在一定容积内随时间的上升:

\[Q_L=\frac{\Delta p\cdot V}{\Delta t}\]

公式 1-35: 泄漏率

$Q_L$ 泄漏率 [Pa m3 s-1]
$\Delta p$ 测量期间的压力变化量 [Pa]
$V$ 容积 [m3]
$\Delta t$ 测量时间 [s]

如果以体积流率 $S$ 对容器进行连续抽空,在气体流量(公式 1-16) 等于泄漏率 $Q_L = S\cdot p_\mathrm{eq}$. 时,将会产生平衡压力$p_\mathrm{eq}$。

如果平衡压力 $p_\mathrm{eq}$ 大约是工作压力的 10 % , 则认为系统具 有足够好的气密性。举例而言,如果要获得的工作压力为 10-6 hPa 且正在使用的真空泵抽速为 100 l s-1, 泄漏率应该 不超过 10-6 Pa m3 s-1

在清洁的不锈钢容器中,能够轻松地获得 $Q_L$ < 10-9 Pa m3 s-1 泄漏率。

要在给定时间段 t内达到极限压力主要取决于上述的所有影响 因素,以及真空泵的抽速。前提当然是取决于真空泵的极限 压力。

\[Q_\mathrm{des}(t) + Q_\mathrm{diff}(t) + Q_\mathrm{perm} + Q_L = p(t)\cdot S\]

公式 1-36: 作为时间函数的极限压力

通过使用 公式 1-36 以及求解与时间有关的方程, 可计算在 给定抽吸时间t下的各种气体流量和产生的压力。极限压力是 这些压力之和。