Средства откачки.

Двухступенчатая откачка: сначала вакуумная камера откачивается форвакуумным насосом, и затем начинает работать высоковакуумный насос, который опускает давление до высокого вакуума. Для начала работы высоковакуумных насосов нужно давление порядка 1 Па.

Два класса устройств:

1. Форвакуумные насосы.

2. Высоковакуумные насосы.

Форвакуумные насосы.

1. Ротационно-лопастной насос. Внутри ротора находятся лопасти на пружинах, которые при его вращении разжимаются до краев цилиндрической камеры из-за растяжения пружин. Лопасти забирают порцию от откачиваемых остатков газа с выхода. Для изоляции от атмосферы ставится резервуар с маслом. Остаточное давление может быть обеспечено в порядке ~ 0,1 Па.

2. Цеолитовый криогенный насос.

Цеолиты – класс веществ, представляющий собой алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов, таких как натрий и кальций. Промышленно выпускаются в форме гранул, имеют структуру с внутренними порами, соединенными с каналами диаметров порядка 1 нм. Чем мельче детали, тем больше удельная поверхность. Внутренняя поверхность материалов огромна, и может составлять в 40000 раз больше площади, чем наружная. Такая структура с каналами и большой внутренней поверхностью позволяет гранулам адсорбировать в себя большое количество газов. Не адсорбируются только инертные газы и водород. Адсорбция значительно усиливается при охлаждении жидким азотом, что и используется в насосах. Цеолит высыпается из резервуара, он присоединяется к вакуумной системе, и заливается жидким азотом. Соответственно, при присоединении к вакуумной камере адсорбируют газы. Остаточное давление порядка 10^-1 Па. Насосы так же комплектуют печью, в ней прогревают полости с цеолитом, происходит десорбция газов при нагревании.

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.