báo cáo kỹ thuật chân không bơm hấp phụ

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
1
MỤC LỤC
2
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
3
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN















Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng…… năm 2015.
Xác nhận của GVHD.
4
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.
5
- 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.
6
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:
7
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:
8
+ 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.
9
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.
3.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
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 400
o
C) 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
10
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 CO
2
phân ly
thành C và O
2
. C sẽ lắng xuống còn O
2
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 H
2
. 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
11
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
12
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
13
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
14
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.
15
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.

16
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.
17