báo cáo kỹ thuật chân không bơm hấp phụ

LỜI MỞ ĐẦU1NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN2CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN31.1. KHÁI NIỆM CHUNG31.2. ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN31.2.1. Hiệu ứng bão hòa31.2.2. Tính chất lọc lựa31.3. ƯU NHƯỢC ĐIỂM4CHƯƠNG 2 – BƠM ZEOLITE52.1. CẤU TẠO52.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG62.3. ƯU NHƯỢC ĐIỂM7CHƯƠNG 3 – BƠM ION83.1. KHÁI NIỆM BƠM ION83.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG83.2.1. Phân ly93.2.2. Phún xạ cathode93.2.3. Hấp phụ khí93.2.4. Hấp phụ ion93.2.5. Hấp phụ nguyên tử trung hòa có năng lượng lớn93.3. PHÂN LOẠI103.4. ỨNG DỤNG113.5. ƯU NHƯỢC ĐIỂM12CHƯƠNG 4 – KẾT LUẬN14TÀI LIỆU THAM KHẢO15

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

  

BK

TP HCM

BÁO CÁO KỸ THUẬT CHÂN KHÔNG

BƠM HẤP PHỤ

SVTH:

Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx GVHD:

Thầy Hoàng Minh Nam Thầy Nguyễn Hữu Hiếu

TP Hồ Chí Minh – 3/2015

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Để trở thành một người kỹ sư tốt, ngoài việc tiếp thu kiến thức trên lớp, cần phải tham gia làm nhiều đề tài nghiên cứu, tìm hiểu các thiết bị chuyên ngành Chính

vì thế, ngay từ cuối năm 3, chúng em - những kỹ sư Hóa ngành Quá trình & Thiết bị

đã được học một môn học có tính thực tế cao – Kỹ thuật chân không

Với đề tài tìm hiểu về Bơm hấp phụ, GVHD – thầy Hoàng Minh Nam và thầy Nguyễn Hữu Hiếu đã tạo điều kiện cho nhóm sinh viên chúng em có cơ hội tìm tòi nghiên cứu về một loại bơm có nhiều ứng dụng trong một số lĩnh vực đời sống, hiểu được phần nào về các quy trình công nghệ được ứng dụng trong sản xuất thực tế Từ

đó củng cố thêm kiến thức đã được học ở nhà trường về thiết bị bơm chân không

Sau khi kết thúc đề tài này chúng em đã có đạt được thật nhiều điều bổ ích Bài báo cáo này của chúng em xin trình bày những kiến thức đã thu hoạch được trong thời gian qua Tóm tắt bài báo cáo gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Bơm zeolite

Chương 3: Bơm ion

Chương 4: Kết luận

Tp Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2015

Nhóm sinh viên thực hiện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

- -

Tp Hồ Chí Minh, ngày……tháng…… năm 2015.

Xác nhận của GVHD.

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

- Là loại bơm tạo chân không bằng cách hút khí theo con đường liên kết với bề mặt vật rắn, khí vẫn còn lại trong hệ chân không nhưng ở trạng thái liên kết

- Bơm là lý tưởng nếu tất cả các hạt khi va chạm với bề mặt đều liên kết với nó

- Sự liên kết của các hạt khí với bề mặt vật rắn đều mang đặc trưng hóa lý và phụ thuôc rất phức tạp vào bản chất cùa các vật tương tác cũng như trạng thái của chúng

- Xác suất liên kết của các hạt khí có thể thay đổi theo thời gian

Vì vậy khó có khả năng tổng quan những tính chất chung của các loại bơm bề mặt

1.2 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN

1.2.1 Hiệu ứng bão hòa

- Sau khi hút được một lượng khí nào đó, chất hoạt tính của bơm sẽ hết và vận tốc hút khí có thể bằng không

- Một vài loại bơm có thể phục hồi lại một phần nào đó khả năng hoạt động của nó ( bằng cách đốt nóng ) Đối với những loại bơm làm việc theo nguyên tắc hấp phụ hóa học thì hoàn toàn không thề khôi phục lại được

1.2.2 Tính chất lọc lựa

- Vận tốc hút khí khác nhau đối với mỗi loại khí khác nhau, vì khả năng hút khí được xác định bằng nhiều tính chất hóa lý của khí cần hút và vật liệu bề mặt

Có thể chia sự liên kết của khí với bề mặt kim loại theo các quá trình sau:

- Hấp thụ khí bằng các chất có khả năng hấp thụ, quá trình thuận nghịch

- Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Hấp phụ vật lý là thuận nghịch còn hấp phụ hóa học có thể là thuận nghịch hoặc không thuận nghịch

- Hòa tan khí, quá trình là thuận nghịch vì không hình thành liên kết hóa học

- Khí ngưng tụ lên trên bề mặt được làm lạnh, quá trình là thuận nghịch.

Trong đó quá trình ngưng tụ là tương đối đơn giản còn các quá trình kia rất phức tạp

1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM

Ưu điểm:

- Bơm sạch, không có chất lỏng nên không có hơi bão hòa của nó trong bơm

- Nếu lớp vật chất hấp phụ liên tục lắng trực tiếp trên thành bơm thì vận tốc hút khí của bơm có thể lớn

Nhược điểm:

- Chỉ sử dụng trong trường hợp năng suất bơm cần nhỏ, vì khí không được nén ra ngoài khí quyển

- Vận tốc hấp phụ khí trơ ở nhiệt độ phòng bằng không vì nhiệt giải hấp của chúng nhỏ Vì vậy để tạo ra chân không cao bằng phương pháp này cần dùng một bơm phụ

để hút khí trơ với vận tốc hút nhỏ Thường dùng bơm ion

- Khi bề mặt chứa đầy một lớp đơn hấp phụ thì tốc độ hút khí sẽ giảm vì vậy lớp hấp phụ phải liên tục đổi mới

CHƯƠNG 2 – BƠM ZEOLITE

2.1 CẤU TẠO

Bơm chân không có bẫy zeolite thường bao gồm một ống hình trụ được đổ đầy zeolite, bao quanh ống hình trụ này là một Dewar với mục đích làm lạnh chất hấp phụ Chất thường được sử dụng để làm lạnh là Hình dáng và cách bố trí bên trong bơm được thiết kế làm sao cho lượng nhiệt trao đổi được là tối đa

Một số hình ảnh khác cho bơm hấp thụ có bẫy zeolite:

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Đối với bơm hấp thụ loại này, các phân tử khí sẽ được hấp thụ bằng các tương tác vật lý với chất hấp phụ, số lượng phân tử khí được hấp thụ trên bề mặt zeolite phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: áp suất, nhiệt độ của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, bề mặt riêng của zeolite,…Zeolite là một loại vật liệu có độ xốp cao, có bề mặt riêng lớn, các lỗ trên bề mặt của zeolite đủ lớn để bẫy và giữ các phân tử khí, bên cạnh đó zeolite cũng có ái lực cao với hơi nước

Như vậy bơm làm việc bằng cách cung cấp một diện tích bề mặt riêng lớn của chất

hấp phụ, sẽ là chất làm lạnh để hạ nhiệt độ của bơm đến xuống dưới điểm sôi của hầu hết các loại khí trong khí quyển Tuy nhiên với các hôn hợp khí như hydro, heli, neon, … việc hấp thụ sẽ kém hiệu quả do kích tước của chúng nhỏ hơn các lỗ hổng trên bề mặt zeolite

Độ chân không tối đa mà bơm loại này có thể đạt được là Torr Đối với các loại khí thông thường thì sẽ được bẫy lại khi nhiệt đạt nhiệt độ là 77K, riêng với heli, hydro, neon thì phải làm lạnh sâu xuống 4,2K Để zeolite nhả hấp thụ các phân tử khí, gia nhiệt cho nó

2.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM

- Ưu điểm:

+ Thời gian làm việc liên tục của hệ thống sẽ dài, do diện tích bề mặt riêng của zeolite rất lớn

+ Bơm hoạt động đơn giản, khỏi động nhanh, không yêu cầu năng lượng điện +Cấu tạo đơn giản

- Nhược điểm:

+ Không hấp thụ hoàn toàn các phân tử khí có đường kính nhỏ hơn lổ hổng trên

bề mặt zeolite

+ Thiết bị làm việc thường xảy ra hiện tượng dao động, áp suất không ổn định

CHƯƠNG 3 – BƠM ION

3.1 KHÁI NIỆM BƠM ION

Bơm ion là một loại của bơm chân không mà nó có thể đạt được áp suất

10^-11 mbar khi làm việc ở điều kiện lý tưởng Bơm ion có thể ion hóa các khí với việc

sử dụng một hiệu điện thế mạnh 3-7KV Nó có thể cho phép các ion làm tăng động năng chuyển động về phía catot và chôn vào nó

Bơm getter không hút khí trơ Mặc dù hàm lượng khí Ar chỉ gồm 1% của khí quyển, nhưng với bơm getter cũng không đạt được chân không cao Nếu liên hợp bơm getter với phương pháp ion hóa chất khí – bơm ion-getter thì dễ dàng đạt được chân không siêu cao Phương pháp này không cần chứa chất lỏng hay bộ phận cơ học chuyển động, nên có thể đun nóng đến nhiệt độ cao (khoảng 400oC) và làm việc với

hệ kín Nó không cần bơm sơ cấp làm việc liên tục như bơm khuếch tán hay bơm phân tử, mà chỉ một lần hút khí trong hệ chân không đến áp suất khởi động

Bơm ion-getter dựa trên nguyên tắc phóng điện Pening Đơn giản nhất, nó là một diode gồm hai cathode và một anode Với cấu hình điện cực như vậy, ion được thành lập do ion hóa chất khí trong phóng điện sẽ hội tụ về tâm của hai cathode

Để tăng khoảng đường chuyển động của điện tử quanh trục phóng điện, cần có

từ trường H đủ lớn Nguyên tắc làm việc của bơm có thể chia thành 5 quá trình cơ bản:

3.2.1 Phân ly

Do va chạm với điện tử, phân tử khí bị phân ly Các thành phần phân ly có thể lắng xuống, hay bị hấp phụ hóa học trên bề mặt getter Ví dụ phân tử CO2 phân ly thành C và O2 C sẽ lắng xuống còn O2 thì dễ dàng hấp phụ hóa học trên bề mặt điện cực hay thành bơm

3.2.2 Phún xạ cathode

Ion dương được thành lập liên tục do ion hóa chất khí sẽ chuyển động về phía cathode với vận tốc rất lớn làm phún xạ cathode (cathode thường làm bằng kim loại Ti) Trong dòng phún xạ bao gồm các hạt sơ cấp bị tán xạ và các nguyên tử kim loại cathode Những nguyên tử kim loại này sẽ liên tục phủ lên bề mặt thể rắn trong bơm, tạo thành những lớp hấp phụ khí (getter)

3.2.3 Hấp phụ khí

Đối với khí hoạt tính, hấp phụ hóa học trên bề mặt getter là cơ bản Quá trình hấp phụ này là liên tục vì lớp getter được thành lập liên tục

3.2.4 Hấp phụ ion

Những ion khi đập vào cathode có thể xuyên sâu vào nó Quá trình này đặc biệt quan trọng với H2 H dễ dàng khuếch tán vào kim loại Ti và thành lập dung dịch rắn TiH He cũng có thể khuếch tán vào nhưng kim loại Ti với mức độ ít hơn H

Cơ chế hấp phụ ion khí trơ khác (Ar, Ne, Kr…) có khác Sự khuếch tán của những ion này vào kim loại Ti không đáng kể Nhưng nhờ điện trường, nên ion đập vào cathode sẽ được giữ lại rất lâu trên bề mặt so với nguyên tử trung hòa cùng loại Trong lúc đó những phân tử Ti phún xạ từ các vị trí khác liên tục đập vào, do đó ion ngày càng bị lấp sâu hơn

Rõ ràng vận tốc của quá trình này chỉ lớn hơn không ở vòng quanh biên cathode, ở đó Ti bị phún xạ ít hơn so với Ti từ các nơi khác phủ vào

3.2.5 Hấp phụ nguyên tử trung hòa có năng lượng lớn

Các ion khi va chạm với bề mặt cathode có thể nhanh chóng trung hòa (trung hòa Auger) và phản xạ theo mọi hướng rồi đâm sâu vài các lớp hấp phụ khí

Đối với khí trơ, bơm chỉ làm việc bằng 2 quá trình cuối, cho nên vận tốc hút chúng rất nhỏ so với khí hoạt tính

3.3 PHÂN LOẠI

o Bơm Standard diode : là loại bơm ion với việc sử dụng 2 catot là Ti Ống

anot được tích một được tích dương trong khi đó 2 tấm catot có điện tích nối đất Loại bơm này được lựa chọn cho hầu hết các các ứng dụng trong đời sống bởi vì với những ưu điểm về tuổi thọ, độ tin cậy và tốc độ của nó Tuy nhiên loại bơm này không được khuyến cáo để sử dụng cho những trường hợp đối tượng làm việc có chứa nhiều H2 hay các khí trơ và làm việc với lượng khí lớn

o Bơm Noble Diode: là loại bơm được phát triển từ Standard diode để bơm

những khí trơ 1 catot vẫn là titan và catot còn lại là tantalum Đây là nguyên tố có khối lượng mol lớn hơn titan Vì vậy khi những ion đập thành catot thì động năng được giữ lại và hạn chế sự đàn hồi ngược lại, do vậy những nguyên tử ion này sẽ chôn sâu và giữ lại ở catot

Đối với loại này thì tốc độ bơm khí trơ được tăng lên nhưng nhìn chung thì tốc độ bơm vẫn thấp hơn bơm standard diode Đáng chú ý là khả năng hấp thụ H kém ở nhiệt độ cao

o Triode Pumps

Loại này kết hợp giữa việc sử dụng điện cực ngược và cấu tạo catot có chút khác biệt để đạt được một số ưu thế hơn các loại trên Tốc độ bơm khí trơ là nhanh nhất

3.4 ỨNG DỤNG

- Sử dụng trong kính hiển vi điện tử (bảo quản mẫu quan sát, hút khí ở buồng quan sát…)

- Các thiết bị sơn

- Các thiết bị y tế

- Ống microwave

- Ống X-ray

- Tốc kế

3.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM

• Nhược điểm

- Hoạt động và thiết lập ban đầu:

+ Đảm bảo hệ thống kín

+ Sự định hướng và cường độ nam châm phải thích hợp

+ Có sử dụng dây nối đất

+ Sử dụng dòng điện với điện áp cao

- Rò rỉ phát xạ

- “Tiếng ồn”

+ Trong quá trình vận hành sẽ tạo thành những lớp vật chất tích tụ trên anot, những lớp này có thể bị bong ra làm bơm bị rung, giật

- Xảy ra sự quá nhiệt:

+ Xảy ra khi p>10-5 Tor, nguyên nhân chủ yếu là do sự quá tải khí

- Khó hoạt động khi áp suất ban đầu cao (nói ở trên)

- Tuổi thọ:

+ Phụ thuộc vào áp suất vận hành Tuổi thọ của máy tỉ lệ nghịch với áp suất vận hành

+ Ngoài ra lượng khí hiếm nặng cũng làm giảm tuổi thọ

- Cần kết hợp với một hệ thống bơm chân không trước khi hoạt động Bởi vì

để bắt đầu sử dụng bơm chân không thì điều kiện yêu cầu là áp suất nhỏ hơn 10-4 mbar

• Ưu điểm

- Tạo được chân không cao

- Không có bộ phận chuyển động như những loại bơm chân không khác

- Bơm ion không sử dụng dầu mỡ để bôi trơn, sạch, dễ thay thế và bảo trì

- Áp suất bắt đầu: tất cả các loại bơm ion yêu cầu cần kết hợp với 1 hệ thống bơm chân không trước khi hoạt động Bởi vì để bắt đầu sử dụng bơm chân không thì điều

kiện yêu cầu là áp suất nhỏ hơn 10-4 mbar Nếu áp suất quá cao thì điện tích trong không gian penning cell sẽ bắn ào ạt làm cho quá trình phún xạ không thể xảy ra Tốc

độ tối đa bơm trên danh nghĩa có thể đạt được là tại áp suất 10-6 mbar

Kể từ đây, càng giảm áp suất thì tốc độ của bơm càng giảm

Áp suất thấp nhất mà bơm có thể đạt được xuống tới 10-10 hay 10-11 mbar Và khi kết hợp với các phương pháp bơm khác thì p có thể đạt 10-12 mbar

- Tuổi thọ của bơm ion: chủ yếu được xác định lượng vật liệu ở catot Tuy nhiên sự

rò rỉ electron giữa anot và catot do hiện tương phún xạ đã giới hạn thời gian sống bơm ion

Ví dụ tại một áp lực của 10-4 mbar catot bị xói mòn trong 400 giờ , nhưng có tuổi thọ của bơm hơn 40.000 giờ tại một áp lực là 10-6 mbar

Để đạt được tuổi thọ bơm cao thì được khuyến khích để bắt đầu phún xạ - ion máy bơm ở áp suất thấp hơn 10-6 mbar thay vì là 10-4 mbar

CHƯƠNG 4 – KẾT LUẬN

Chuyên đề đã hoàn thành, tuy còn nhiều thiếu sót nhưng đó là sự nỗ lực không ngừng của cả nhóm chúng em Ngoài việc tiếp thu được công nghê hiện đại, các thông tin bổ ích về bơm hấp phụ chúng em còn được trao dồi thêm kiến thức chuyên ngành, củng cố kiến thức đã được học về các loại bơm trong môn Các quá trình cơ học Từ đó làm cơ sở vững chắc phục vụ cho Đồ án môn học, chuyên ngành và luận văn tốt nghiệp sau này

Cuối lời, chúng em xin cảm ơn thầy Hoàng Minh Nam và thầy Nguyễn Hữu Hiếu đã tạo điều kiện để chúng em có cơ hội được thực hiện đề tài này Chúc thầy nhiều sức khỏe và thành công trong công việc của mình

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hữu Chí – Vật lý và kỹ thuật chân không, ĐH Khoa học tự nhiên, 2008.

[2] J.M Laurent, and O Gröbner, Distributed Sputter-Ion Pumps for use in Low Magnetic Fields, Particle Accelerator Conference, San Francisco (1979)

[3] M Audi, Ion pumps, Vacuum 37 (8-9), (1987) pp 629.

[4] M.D Malev, and E.M Trachtenberg, Built-in getter-ion-pumps, Vacuum, 23 (11)

1973 pp 403