基于NEG（Negative Gas Pressure）的超高压系统中氢气压力变化的预测模型

《Vacuum》：A Predictive Model for Hydrogen Pressure Evolution in NEG-Based Ultra-High Vacuum System

非蒸发 getter（NEG）性能受温度、压力及吸放气能力影响显著，动态压力预测难度大。本研究基于Zr-V-Fe getter材料，构建表面吸附-体扩散耦合动态模型，通过COMSOL Multiphysics模拟结合静态吸附与热脱附实验，定量获得吸附（K?）与脱吸（K?）速率常数，活化能分别为1.77 kJ/mol和311.96 kJ/mol，模型有效复现实验压力曲线，为NEG真空系统寿命评估与性能优化提供工具。

　　

唐丽君|毕海林|王静华|王旭迪|曹青

中国金华，浙江光电技术研究院，321004

摘要

非蒸发 getters（NEGs）的性能受温度、压力和吸附能力的强烈影响，这使得在配备 NEGs 的真空系统中进行动态压力预测变得特别具有挑战性。在这项工作中，我们提出了一个针对 Zr-V-Fe getters 的动态氢吸收模型，该模型结合了表面吸附动力学和体相扩散过程，使用 COMSOL Multiphysics 进行模拟。通过静态吸收和热脱附实验，定量确定了包括吸附（K₁）和脱附（K₂）速率常数在内的关键参数，并获得了相应的活化能。数值模型准确再现了等温和热脱附实验中的压力变化曲线，验证了其预测的可靠性。这种方法为分析配备 NEGs 的系统中的压力变化提供了有价值的工具，有助于设备寿命评估和性能优化。

引言

非蒸发 getters（NEGs）能够吸收残余气体，维持真空状态并延长设备使用寿命，广泛应用于各种真空设备中，包括电真空组件、粒子加速器、MEMS（微机电系统）真空封装和真空采集设备[1]、[2]、[3]。它们的有效应用需要精确确定 NEGs 的用量，而这取决于 getters 的吸附参数和系统的排气特性。传统的 NEGs 性能评估依赖于在恒定环境条件（压力、温度等）下测量的静态参数，而实际的 NEGs 吸收速率会随着环境的变化而呈现瞬态行为。因此，准确预测时间依赖的压力演变对于真空系统的寿命评估和性能优化至关重要。

大量理论工作致力于描述 NEGs 的吸收行为。Knize[4]等人建立了一个将表面吸附-脱附动力学与体相扩散相结合的模型，为气体吸收速率提供了数值解。Liu[5]等人将表面势垒纳入 Knize 的模型，并发展了一个包括表面吸附、亚表面渗透和体相扩散的三阶段吸附理论。Brancher[6]等人采用基于吸附-脱附平衡模型的直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法来解决一维稳态流动问题，得到了气体吸收过程中表面覆盖率的动态演变。对于多孔 getters，Benvenuti[7]、[8]等人提出了一个具有“平面-孔洞”吸附位点的表面吸附模型，认为微孔中的气体扩散是吸附速率衰减的限制因素。

本研究针对超高真空（UHV）系统中的主要残余气体氢（H₂），使用 COMSOL Multiphysics 建立了一个用于体相 NEGs 中氢吸收的动态模拟模型。该模型结合了从气体吸收和热脱附测量中获得的 Zr-V-Fe getters 材料的氢特异性吸附和脱附速率常数。这种理论建模与实验验证相结合的方法为预测配备 NEGs 的真空系统中的动态压力演变提供了解决方案。

部分摘录

吸附动力学模型

基于 Knize 的双原子气体吸收模型，我们开发了一个耦合的表面吸附-体相扩散模型。假设气体吸附过程遵循具有恒定粘附系数的解离吸附机制，表面覆盖率由表面浓度表示。脱附过程涉及气体原子从体相扩散到表面，在那里它们结合形成分子并离开表面。

当氢分子与表面碰撞时，它们会发生解离

实验方案和程序

实验用的 NEGs 样品是由 SuperTech Advanced Material Co., Ltd. 生产的块状 Zr-V-Fe getters，呈圆盘状，直径为 10 mm，厚度为 1 mm，质量为 0.4 g。Zr-V-Fe getters 样品的名义组成为 70 wt.% Zr、24.6 wt.% V 和 5.4 wt.% Fe（对应于标准原子百分比组成 Zr₇₀V₂₄.₆Fe₅.₄），与参考文献 [9] 中研究的合金组成一致。测试气体为纯度为 99.999% 的氢气。

吸附/脱附速率常数的计算

根据第 2.1 节建立的吸收模型，未知参数包括扩散系数（D）和两个速率常数（K₁、K₂）。根据参考文献 [9]，Zr-V-Fe getters 中氢的扩散系数为 cm²/s。速率常数的温度依赖性遵循阿伦尼乌斯方程：其中 K₀ 是指数前因子（常数），E_a 是活化能。

由于 E_a 通常可以视为常数，速率常数 K 仅取决于

结论

本研究基于表面吸附-体相扩散框架，建立了一个用于 Zr-V-Fe getters 配备的真空系统中压力演变的模拟模型。通过拟合实验数据，确定了吸附速率常数 K₁ 和脱附速率常数 K₂ 的温度依赖关系，发现 Zr-V-Fe getters 的吸附活化能为 1.77 kJ/mol，脱附活化能显著更高，为 311.96 kJ/mol。该模型已成功实现

CRediT 作者贡献声明

曹青：撰写 – 审稿与编辑，监督。王旭迪：监督，资源协调。王静华：撰写 – 审稿与编辑。毕海林：监督，方法论指导。唐丽君：撰写 – 初始稿件

利益冲突

作者没有需要披露的利益冲突。

数据可用性

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFC2205702）、国家自然科学基金（62271187、62401193、62101172）以及中央高校基本科研业务费（JZ2024HGTG0307）的支持。