Introducción a la desgasificación

Hay varias contribuciones a la carga de gas de un sistema. A presiones por debajo de ~0.1 mbar, la más dominante es a menudo la "desgasificación". La desgasificación es el resultado de la desorción de moléculas previamente adsorbidas, la difusión a granel, la permeación y la vaporización. La adsorción ocurre a través de dos procesos principales, la fisisorción y la quimisorción, y se puede describir utilizando cinco (o seis) isotermas clasificatorias. 

Este blog se basa en el artículo de Applied Science and Convergence Technology 26 (5): 95-109 (2017) R Grinham and A Chew, cortesía de www.vacuumscienceworld.com [DTP1] 

Al observar la tasa de desorción, la velocidad de bombeo y la readesorción en las superficies, se puede calcular la desgasificación neta del sistema. En este artículo, compartimos más sobre el proceso de desgasificación y las tasas de desgasificación de materiales comunes. La reducción de la velocidad de desgasificación permite lograr presiones de vacío más bajas. 

Cargas de gas 

Como se ve en el Diagrama 1, las contribuciones a la carga de gas de un sistema pueden provenir de: 

1. Gas inicial o a granel en el sistema 
2. Carga del proceso 
3. Back-streaming 
4. Fugas 
5. Desgasificación 

Para un sistema estanco a fugas en alto vacío (HV) sin carga de proceso, la desgasificación podría contribuir hasta el 100 % de la carga de gas. 

Diagrama 1: Cargas de gas en un sistema de vacío.

Outgassing: Desgasificación 

Initial gas: Gas inicial 

Leaks: fugas 

Process load: Carga del proceso 

La contribución relativa de las diferentes especies a la carga de gas varía con la presión. Para muchas aplicaciones de HV, el vapor de agua es la principal preocupación en términos de desgasificación. Sin embargo, para lograr UHV en todos los sistemas metálicos, la desgasificación de H2 es crítica. La siguiente tabla comparte las cargas de gas principales típicas a varias presiones. 

Tabla 1: Contribuciones a la desgasificación

Hay 4 mecanismos principales que contribuyen a la desgasificación (que se muestran en el siguiente diagrama): 

1. Vaporización del propio material superficial real (en metales esto es insignificante a temperaturas de funcionamiento típicas) 
2. Desorción: este es el proceso inverso de adsorción; la liberación de moléculas unidas en las superficies de la cámara y los accesorios internos 
3. Difusión: este es el movimiento de las moléculas desde la estructura interna del material hasta la superficie. 
4. Permeación: este es el movimiento de las moléculas desde la atmósfera externa a través de la masa hasta la superficie del vacío. 

La medida en que cada uno de estos afecta la desgasificación depende de la composición tanto del gas como del material de la superficie (y su historia). Las tasas de desgasificación son una suma de estas contribuciones. 

Diagrama 2: mecanismos que contribuyen a la desgasificación 

Vacuum: Vacío 

Diffusion: Difusión 

Vapourisation: Vaporización 

Desorption: Desorción 

Inner surface: Superficie interior 

Bulk: A granel 

Outer surface: Superficie exterior 

Permeation: Permeación 

Cálculo mediante la ecuación de la tasa de desgasificación 

El siguiente gráfico muestra cómo calcular las cargas de gas utilizando la ecuación de la tasa de desgasificación. 

Un tratamiento exhaustivo considerando: 

• Gas eliminado del sistema por bomba 
• Desorción de gas de las superficies 

• Gas reabsorbido 

Conduce a la ecuación diferencial: ¹ 

Pero una aproximación razonable de está dada por: ² 

Outgassing flow rate: Caudal de desgasificación 

Outgassing rate at 1 hour: Tarifa de desgasificación a 1 hora 

Decay constant: Constante de decaimiento 

Tenga en cuenta que el valor de la constante de descomposición da una indicación del material y el mecanismo de desgasificación. Por ejemplo: 

1. α ≈ 1.1-1.2 Superficies metálicas ultra limpias 
2. α ≈ 1 metales, vidrios y cerámicas 
3. a ≈ polímeros 0.4-0.8 
4. α ≈ 0.5-0.7 superficies altamente porosas 
5. α ≈ desgasificación controlada por difusión 0,5 del granel 

Valores típicos de desgasificación 

En la siguiente tabla, compartimos los valores típicos de desgasificación, donde t = 1 hora. 

Tabla 2: valores de desgasificación, donde t = 1 hora 

Resumen 

La desgasificación es a menudo el mayor contribuyente a la carga de gas de un sistema (especialmente por debajo del vacío medio) y limita la presión final alcanzable. Ocurre a través de varios procesos, incluyendo vaporización, desorción, difusión y permeación. Las principales contribuciones a la desgasificación dependen del nivel de vacío, pero en HV proviene principalmente del vapor de agua, mientras que el hidrógeno es más común cuando se trabaja con metales en UHV. 
 
Hay muchas tasas de desgasificación disponibles en la literatura, sin embargo, hay una variación significativa en estas. Si bien las variaciones en las tasas de desgasificación pueden atribuirse principalmente al método de medición utilizado y a la preparación de la muestra; la elaboración de una norma para las técnicas de medición de tasas sería valiosa. 

Para más información, contacte con nosotros. 

Referencia 

1 K. Jousten, Thermal Outgassing, No. OPEN-2000-274, CERN (1999) 
 
2 J. M. Lafferty, Foundations of Vacuum Science and Technology John Wiley & Sons, Inc (1998) 
 
Base Pressure by Combination of Pumping & Purging, BOC Edwards, Third EUVL Symposium (2004), J. Zhou, S. D. Dasso, Cycle Purging a Vacuum Chamber During Bakeout Process, U.S. Patent No. 5,879,467 9 Mar. 1999