Морозные узоры

При создании вакуумных систем тех установок, о которых говорилось в предыдущем разделе, оказались эффективны криогенные насосы, иначе называемые криосорб-ционными. Работа их основана на явлении сорбции молекул газа на холодной стенке.

На рис. 51 показана зависимость давления насыщенного пара некоторых газов от температуры. Видно, что охлаждая стенки

вакуумного объема жидким водородом (20,4 К), из него можно откачать все газы, кроме Не, Н₂ и Ne. Много Ne в вакуумных установках обычно не бывает, а вот откачка Не и Н₂ — это серьезная проблема. Для ее решения есть эффективный метод — сорбция на высокопористых сорбентах (веществах, предназначенных для сорбции остаточных газов). Ближайшая аналогия — активированный уголь из коробки противогаза. На пористых сорбентах, охлажденных до 78 К (жидкий азот), сорбируются все газы, кроме тех же Не, Н₂ и Ne, но ведь жидкий азот получить много проще, чем жидкий водород. А при 20,4 К на пористых сорбентах сорбируются и эти газы. Недостатком пористых сорбентов является низкая теплопроводность. Дело в том, что при сорбции выделяется тепло, из-за плохой теплопроводности сорбент не успевает охлаждаться, а при нагреве сорбция ухудшается. Но этот недостаток преодолевают, располагая сорбент тонким слоем на хорошо охлаждаемых металлических поверхностях.

Если на поверхности сорбированы одни атомы, а в вакуумном объеме появились другие, новички начнут заменять предшественников. Не следует понимать этот процесс как непосредственную замену. Сорбция-десорбция — процесс динамический: атомы иногда освобождают свои места, чтобы попутешествовать в объеме и постучаться о стенки. Улучив этот момент, на поверхность оседают новички, чтобы через какое-то время тоже освободить насиженные места.

Сорбция приносит не только пользу (в насосах), но и вред — влияет на измерение вакуума. Если прибор, измеряющий вакуум, соединен с вакуумной системой трубкой, то газ из системы будет проникать в него с большим трудом. Казалось бы, при скорости молекул в сотни метров в секунду этого не должно быть, но вероятность прямого пролета через прямую трубку невелика, через изогнутую вовсе равна нулю, а при попадании на стенку газ может сорбироваться, особенно если трубка холодная и чистая. Показания прибора в этом случае будут искажены.

При работе с насосами, в которых газ конденсируется на холодной поверхности и замерзает, было обнаружено, что они откачивают газы, которые при данной температуре конденсироваться не должны. Оказалось, что уже намерзшие слои одних газов вполне эффективно могут сорбировать другие. На рис. 52 показано, какое количество молей Не, Ne и Н₂ может

сорбировать моль СО₂, сконденсированный на стенке вакуумной камеры, при различных температурах и в зависимости от давления. Видно, что на слое СО₂ при температуре жидкого водорода, в отличие от простой конденсации, сорбция Н₂ эффективна. Одна из причин этого эффекта — пористость, рыхлость осадков сконденсированного газа. Называется этот эффект «криозахватом».

Обратимся к рис. 52. Кривые на этом рисунке называются «изотермы сорбции» — это зависимости количества сорбированного газа от его давления при постоянной температуре. Например, активированный уголь при температуре 78 К и давлениях 10“⁸, 10“⁶, 10“⁴, 10“² Па поглощает соответственно 10“², 10², 2 • 10², 3 • 10² м⁹ Па/кг азота или других газов (кроме Не, Ne, Н₂). Видно, что при малых давлениях количество сорбированного вещества пропорционально давлению, а при больших давлениях рост замедляется. Почему изотермы сорбции имеют такой вид ? Количество сорбируемых в единицу времени атомов равно вероятности сорбции, умноженной на количество атомов (молекул), ударяющихся о стенку в единицу времени, и умноженной на долю свободной от сорбированных атомов поверхности. Это произведение пропорционально Р(1 —0), где Р — давление, 0 — доля покрытой поверхности. Количество десорбирующихся в единицу времени атомов пропорционально 0. При равновесии эти потоки равны: Р(1 — 0) = С0, где С — постоянная. Отсюда 0 = Р/(Р + С); при малых Р сорбированное количество 0 пропорционально Р, а при больших Р рост 0 действительно замедляется.

На самом же деле все гораздо сложнее. Например, энергия сорбции зависит от 0, поэтому скорость десорбции не пропорциональна 0, а растет быстрее — когда сорбированных атомов много, они слабее держатся на поверхности. Кроме того, при некоторых условиях может сорбироваться больше, чем один монослой (т. е. возможно 0 > 1). Поэтому существует много разных математических выражений для изотермы сорбции, с разной точностью описывающей поведение разных газов в разных условиях. Выражение, которое мы получили, — простейшее.

мов (10 мкм³), так называемые «чанги». В-четвертых, вколоченные в материал атомы гелия и водорода собираются в пузыри, и в результате материал «распухает» — этот процесс называется «свеллинг». Если пузырь образуется близко к поверхности, она вспучивается — этот процесс называется «блистеринг». В-пятых, шелушение поверхности — верхняя корка на этом пузыре отваливается; этот процесс называется «флекинг»*). Получающаяся в результате блистеринга пористая, губчатая поверхность тормозит флекинг, и после разрушения материала на некоторую глубину процесс замедляется. Предложено и целенаправленное применение этого эффекта — использование поверхности с губчатой, игольчатой (щетка) и сотовой структурой. В последнем случае замедляется и распыление, так как часть материала перепыляется со стенки на стенку, не вылетая в объем (рис. 53). И, наконец, в-шестых, радиационная сегрегация — под действием облучения ионами меняется состав сплавов, т. е. облучение вызывает диффузию. Так, если на квадратный сантиметр сплава NiCrWMo обрушить дозу 5- 1О²⁰ ионов Н⁺ с энергией 10 кэВ каждый, то поверхностный слой на глубине 1 мкм уже не будет содержать W и Мо, которые уйдут в более глубокие слои. Ни про один из этих процессов нельзя сказать, что он достаточно изучен и понят. Рассмотрим наиболее изученный из них — ионное распыление.