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吸氣劑的分類、原理及激活使用

2024-01-23 13:29:00   

  吸氣劑(getters)是維持超高真空(UHV,Ultra-High Vacuum)狀態(tài)的重要組件。吸氣劑的作用是捕捉和移除殘余氣體分子,以保持超高真空狀態(tài)。吸氣劑主要分為兩大類:蒸散型吸氣劑非蒸散型吸氣劑

 

蒸散型非摻氮吸氣劑

蒸散型非摻氮吸氣劑

  蒸散型吸氣劑

  · 原理:通過加熱蒸發(fā)吸氣劑材料,使其在表面形成一層新鮮的吸附層,從而吸附氣體分子。

  · 常見材料:鋇(Ba)、鈣(Ca)、鈉(Na)等金屬。

  · 應(yīng)用:主要用于真空管、陰極射線管和部分高真空系統(tǒng)

 

非蒸散型鋯鋁吸氣劑

非蒸散型鋯鋁吸氣劑

  非蒸散型吸氣劑(NEG)

  · 原理:通過加熱激活吸氣劑材料,使其表面暴露出活性位點(diǎn),以吸附氣體分子,不涉及材料的蒸發(fā)。

  · 常見材料:鈦(Ti)、鋯(Zr)、釩(V)等金屬及其合金。

  · 應(yīng)用:廣泛用于超高真空系統(tǒng),如粒子加速器、電子顯微鏡、衛(wèi)星和空間探測(cè)器、MEMS器件等。

  非蒸散型吸氣劑(NEG,Non-Evaporable Getters)是廣泛用于維持超高真空環(huán)境的重要材料。它們通過化學(xué)吸附和表面擴(kuò)散的方式捕捉殘余氣體分子,不會(huì)蒸發(fā)或遷移,因此非常穩(wěn)定持久

  根據(jù)真空系統(tǒng)中的氣體種類、工作溫度和真空要求,選擇適當(dāng)?shù)姆钦羯⑿臀鼩鈩N鼩鈩┩ǔR云瑺睢⒔z狀、網(wǎng)狀或涂層的形式安裝在真空系統(tǒng)的內(nèi)部,確保其與氣體有足夠的接觸面積。在使用前,吸氣劑需要進(jìn)行預(yù)處理激活,以增強(qiáng)其吸附能力。

 

  吸氣劑的激活

感應(yīng)加熱激活吸氣劑

感應(yīng)加熱激活吸氣劑

  非蒸散型吸氣劑需要在高溫下激活,以清除其表面的氧化層并提高吸附能力。激活過程包括:

  1. 加熱:將吸氣劑加熱到特定溫度,通常在400°C到900°C之間,具體溫度視吸氣劑材料和真空系統(tǒng)要求而定。

  2. 保持真空:在加熱過程中保持真空環(huán)境,以防止新鮮氧化層形成。

  3. 降溫:激活完成后,逐漸降溫至工作溫度。

 

  非蒸散型吸氣劑的壽命主要取決于其吸附容量工作條件。每種吸氣劑材料都有一定的吸附容量,當(dāng)達(dá)到飽和時(shí),吸氣能力顯著降低;過高或過低的工作溫度會(huì)影響吸氣劑的吸附效率和壽命;不同氣體對(duì)吸氣劑的吸附能力不同,高濃度的特定氣體可能迅速消耗吸氣劑的吸附能力。

 

  吸氣劑的激活方式主要有兩種:熱激活電激活。每種方法都有其獨(dú)特的機(jī)制和應(yīng)用場(chǎng)景。

 

  熱激活

  熱激活是最常見的吸氣劑激活方式。通過加熱吸氣劑,使其表面的氧化層和其他污染物揮發(fā)或分解,從而暴露出活性金屬原子,增強(qiáng)其吸附能力。

  熱激活的步驟

  1. 安裝吸氣劑:將吸氣劑安裝在真空系統(tǒng)內(nèi)部的適當(dāng)位置。

  2. 抽真空:?jiǎn)?dòng)真空泵,使系統(tǒng)達(dá)到所需的低壓環(huán)境。

  3. 加熱:

  ① 升溫:緩慢加熱吸氣劑,通常采用電加熱或通過外部加熱設(shè)備。升溫速率應(yīng)控制在適當(dāng)范圍內(nèi),避免因熱沖擊導(dǎo)致材料損壞。

  ② 保持溫度:當(dāng)達(dá)到預(yù)定的激活溫度時(shí),保持該溫度一定時(shí)間,以確保充分激活。激活溫度和時(shí)間取決于吸氣劑材料,例如,Zr-Al合金通常在400°C到600°C之間激活,保持?jǐn)?shù)小時(shí)。

  4. 降溫:逐漸降溫至工作溫度,避免過快降溫引起的熱應(yīng)力和裂紋。

 

  電激活

  電激活是一種通過電流直接加熱吸氣劑或其基材,從而去除表面氧化層和雜質(zhì),激活吸氣劑表面的方式。

  電激活的步驟

  1. 安裝吸氣劑:將吸氣劑安裝在真空系統(tǒng)內(nèi)部,并連接電源。

  2. 抽真空:?jiǎn)?dòng)真空泵,使系統(tǒng)達(dá)到所需的低壓環(huán)境。

  3. 通電:

  ① 加電流:通過吸氣劑或其基材通入電流,利用電阻加熱效應(yīng)加熱吸氣劑。電流的大小和持續(xù)時(shí)間根據(jù)吸氣劑材料和要求確定。

  ② 保持電流:在達(dá)到預(yù)定的激活溫度后,保持電流一定時(shí)間,確保充分激活。

  4. 斷電和冷卻:逐漸減小電流,斷電后使吸氣劑自然冷卻至工作溫度。

  通過對(duì)熱激活和電激活兩種方式的理解和選擇,可以根據(jù)實(shí)際需求和條件,優(yōu)化吸氣劑的激活過程,確保其在超高真空系統(tǒng)中發(fā)揮最佳性能。

 

  吸氣劑的反復(fù)激活

某Zr-Al型吸氣劑對(duì)CO、H2的吸收曲線

  (某Zr-Al型吸氣劑對(duì)CO、H2的吸收曲線(圖左)與(圖右)某Zr-Ni-V-Fe-Re型吸氣劑對(duì)N2、CO、H2的吸收曲線)

 

  吸氣劑的反復(fù)激活應(yīng)用是指在使用過程中,通過多次激活吸氣劑來延長(zhǎng)其使用壽命維持其高效吸附性能

 

  反復(fù)激活的原理

  吸氣劑的表面在吸附氣體分子后,逐漸被飽和,吸附能力下降。通過重新加熱或電激活,可以去除已吸附的氣體分子(例如通過分解或擴(kuò)散的方式),使吸氣劑表面恢復(fù)活性,從而恢復(fù)其吸附能力。

 

  反復(fù)激活的方法

  熱激活

  1. 預(yù)熱:將吸氣劑加熱至一定溫度,通常略低于初始激活溫度,以避免材料的過度退化。

  2. 保持溫度:在預(yù)定溫度下保持一段時(shí)間,通常為數(shù)小時(shí),以確保吸附的氣體分子充分解吸。

  3. 冷卻:逐漸冷卻至工作溫度,避免因急冷導(dǎo)致材料損傷。

  電激活

  1. 通電加熱:通過電流直接加熱吸氣劑,達(dá)到所需溫度,電流大小和持續(xù)時(shí)間根據(jù)吸氣劑材料和吸附狀態(tài)確定。

  2. 保持電流:在達(dá)到預(yù)定溫度后,保持電流一定時(shí)間,確保充分解吸。

  3. 斷電冷卻:逐漸減小電流,斷電后自然冷卻至工作溫度。

 

  吸氣劑的反復(fù)激活應(yīng)用在超高真空系統(tǒng)中具有重要意義。通過熱激活和電激活的方法,可以有效恢復(fù)吸氣劑的吸附能力,延長(zhǎng)其使用壽命,并維持系統(tǒng)的高真空度。合理設(shè)計(jì)和操作反復(fù)激活過程,可以提高設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性,降低維護(hù)成本。

  介于吸氣劑在超高真空系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,還需要考慮到這類產(chǎn)品的真空封裝,當(dāng)器件腔體內(nèi)含有吸氣劑時(shí),一個(gè)良好的封裝工藝,對(duì)維持超高真空環(huán)境起到了重要的作用,金密激光已經(jīng)成功研發(fā)了一套含吸氣劑產(chǎn)品的真空封裝解決方案,可以有效避免真空激光焊接煙塵問題,保障腔體氣密性,獲得良好的封裝效果。歡迎有需要的朋友隨時(shí)溝通交流!

  • 關(guān)鍵詞:
  • 吸氣劑,真空封裝,非蒸散型,超高真空,NEG
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