深冷氩霜低温吸附的机理研究

低温吸附抽气技术是获得高/超高真空环境的主要手段。在需要抽除H2、He 等不凝性气体的场合，仅靠低温冷凝抽气不能抽除这类气体，必须采用低温吸附抽气技术。采用常用的固体吸附剂如活性炭或分子筛进行低温吸附抽气时，需解决吸附剂粘接工艺难及吸附剂寿命短等难题。而采用氩霜低温吸附抽气技术避免了这样的难题，且被越来越多地应用在需要抽除H2、He 气体的高真空领域。氩霜低温吸附抽气的机理很复杂，目前还未能完全解释清除，国内外已有的理论分析及实验研究都尚不完整。本项目将用电镜来测定氩霜表面形貌与微观结构的多孔介质参数，采取计算机分子模拟手段来模拟被抽气体分子在氩霜上的吸附及脱附过程，尝试从微观角度研究氩霜低温吸附抽气的机理，同时搭建氩霜低温吸附性能测试平台，进行吸附机理的实验验证，总结出吸附等温线规律，用来指导氩霜低温抽气泵的设计。

高/超高真空技术是大型低温工程领域的关键技术之一，深冷氩霜由于具有多孔性能，能够吸附氦气、氢气等不凝性气体，因而能广泛应用于高/超高真空领域。本项目研制了深冷氩霜表面形貌观测实验台和深冷氩霜吸附性能实验台，从宏观与微观两个角度对氦气在深冷氩霜表面的吸附性能进行了试验研究与理论分析。获得了温度为4.2K时氦气在氩霜表面的吸附等温线，利用Langmuir理论、BET理论和DR势能方程对实验数据进行分析研究，结果表明DR势能方程能更好的对氩霜吸附氦气的过程进行描述。自行编制了氦气在氩霜表面吸附的巨正则蒙特卡洛模拟程序，分别用圆柱模型和狭缝模型对氩霜的结构进行模拟，模拟了氦气在这两种模型中的吸附行为。对两种模型的模拟结果分析表明，在吸附过程中，在相同的温度和孔径下，粒子的局部密度分布随压力的升高而变大，并且不论采用何种模型，在所模拟的所有温度区域，当压强低于0.01 Pa 时，在氩霜表面上只有单层的吸附质分子。模拟得到氦气在氩霜中的微分吸附热在1000J/mol~1500J/mol 之间，这个数量级在物理吸附的吸附热范围之内（小于10kJ/mol）。在两种模型中，吸附量随着孔宽和孔径的变小而变大，但孔宽或孔径越小使得吸附空间有限，当孔被填满后就不能再吸附更多的吸附质。在压力小于0.001Pa 的压强范围内，吸附主要是在孔宽或孔径小于2nm 的微孔中吸附，在该压强范围内，氦气只有在低于其临界温度下吸附效果才最明显，因此如果要在实际中利用氩霜来获得更高级别的真空，需要降低温度到临界温度以下。