Высоковакуумные насосы

1. Пароструйный/паромасляный/диффузионный насос. Исторически первый вид высоковакуумного насоса.

Принцип действия пароструйного насоса основан на диффузии молекул откачиваемых газов потоком пара с последующим осаждением на панели, охлаждаемой жидким азотом или водой. Для образования пара используются специальные вакуумные масла, или полиэфиры. Остаточное давление в зависимости от качества конструкции составляет p = 10^-4...10^-7. Лучшие образцы создают вакуум, пригодный для очистки поверхности.

Достоинства:

1) Простота устройства.

2) Надежность.

3) Отсутствие вибраций.

Недостатки:

1) Высокое остаточное давление.

2) Загрязнение вакуумной камеры парами масла. Полиэфиры зарубежных конструкций лучше.

2. Турбомолекулярный насос. Принцип действия основан на увеличении молекул газа набором быстровращающихся и неподвижных пластин, образующих каналы для выхода газа.
Рядом расположенные пластины имеют зеркально расположенные прорези, что обеспечивает высокую вероятность движения молекул от пластины к пластине. Для высокой вероятности захвата частиц газа необходимо, чтобы вращающиеся пластины двигались с той же скоростью, как молекулы (v~500 м/с). V = ω*r = 2πfr
f = v/2πr = 500/1 = 500 об/с = 30000 об/мин.
Насос может обеспечивать давление порядка 10^-8 Па.

Достоинства:

1) Чистота.

2) Надежность. (используется железо, а не электричество)

3) Наименьшая зависимость от состава откачиваемых газов.

Недостатки:

1) Вибрации (привода).

2) Непригоден для систем с точным позиционированием (сканирующе-туннельная и атомно-силовая микроскопия).

3. Титановые сублимационные насосы. Неполноценные средства откачки, а дополнение к основным системам для поддержания вакуума.

Принцип действия – термическое распыление титана с подогреваемой током спирали. Титан покрывает все свободные поверхности, прежде всего, стенки камеры, и позволяет связывать, фактически, любые остаточные газы, включая инертные в ионизационном состоянии.

4. Магнито-разрядный/ионный насос.

Между полюсами магнита помещаются титановые пластины, которые выполняют роль катода, между которыми располагаются металлические трубки, играющие роль анода (матрица из металлических трубок). К анодным трубкам прикладывается потенциал +5-7 кВ относительно катода, что вызывает эмиссию электронов из катода. Вылетевшие из катода электроны попадают в магнитное поле магнита, что вызывает длинные и сложные траектории движения электронов. Ускоренные напряжением 5-7 кВ вызывают ионизацию остаточных газов. Газы – элементы высоких групп, поэтому, ионизуясь, они отдают электроны, и стремятся к более низкому потенциалу, т.е. катоду. Ионы газа притягиваются к катоду и распыляют титан, из которого он состоит. Титан покрывает стенки электродов и корпуса, а далее по принципу титанового сублимационного насоса. Титановая поверхность связывает газы.

Данный насос дает наиболее высокие результаты, и можно достигать давлений порядка 10^-9 Па.

Достоинства:

1) Чистота.

2) Возможность откачки различных газов, в том числе инертных.

3) Отсутствие вибраций.

4) Большой срок службы.

5) Низкое энергопотребление.

6) Возможность контроля остаточного давления по току разряда в насосе (движение ионов).

Недостатки:

1) Зависимость скорости откачки от состава удаляемых газов. Разница может составлять до сотен раз.

Методы измерения вакуума (остаточного давления).

Остаточное давление делится на три области:

1. Первичное разрежение – больше 1000 Па. Измеряется механическими манометрами.

2. Форвакуум. 1000…0,1 Па. Средства измерения: термопарные манометры, манометры Пирани.

3. Высокий вакуум. Меньше 0,1 Па. Измеряется ионизационными манометрами.

Термопарный манометр.

Колба манометра подсоединяется к области измерения остаточного давления, в колбе есть нагревательный элемент, и установлена термопара. На нагревательном элементе поддерживается температура (поддерживается по заданной программе), по мере падения остаточного давления вещества становится меньше, и оно, с одной стороны, лучше греется, с другой стороны, лучше греется и термопара, поскольку меньше частиц, которые могли бы унести с неё порцию нагрева. Таким образом, температура термопары зависит от количества вещества. Температуру термопары измеряют с помощью термоЭДС. ϵ_T = f(T) = f(T_(рост)).

Манометр Пирани.

Принцип действия похож на термопару. Измеряется зависимость температуры подогреваемого элемента от давления, но отличие в том, что в качестве измерителя температуры используется не термопара, а измеряется сопротивление подогреваемого элемента. Для точного измерения сопротивления используют две спирали, одна помещается при измеряемом давлении, другая помещена в колбу с эталонным давлением. Для точного измерения помещаются в мостовую схему.

20.09.14.