2.1.3. Масляные диффузионные насосы
Паромасляный, или диффузионный, насос, предло-женныйЛенгмюром, является наиболее распространенным типом вакуумного насоса, который используется на протяжении многих лет и находит широкое применение.
Поток пара в диффузионном насосе работает таким образом, что концентрирует отдельные молекулы газа в определенном месте вакуумной системы.
Рис. 7. 1- К форвакуумному насосу. 2 — Отражатели. 3 — Водяное охлаждение. 4 — Нагреватель. 5 — Патрубок.
Работа прибора показана на рис. 8. Пары масла проходят через отражатели и передают часть своего импульса молекулам газа, вынуждая их двигаться к днищу насоса. Благодаря этому создается повышенная концентрация молекул газа в нижней части насоса, давление возрастает и дает возможность удалить газ механическим насосом. Чтобы создать поток пара, предварительное разрежение в вакуумной системе должно быть ниже 1 торр. Этот вакуум, конечно, находится почти всегда в пределах, которые обеспечиваются большинством механических насосов. Стенки диффузионного насоса обычно охлаждаются водой, так что пар, попадающий на стенку, будет конденсироваться и возвращаться в кипятильник.
Такие материалы, как вода, ртуть, углеводородные и силиконовые масла, используются для того, чтобы получить потоки паров в этом типе насосов. Обычно между диффузионными насосами и вакуумной камерой располагаются ловушки на жидком азоте, которые применяются вместе с диффузионными насосами и служат для того, чтобы конденсировать пары масла, стремящиеся мигрировать обратно в область высокого вакуума.
Степень и чистота вакуума, требуемые для многих процессов, резко возросли в последние годы. В некоторых применениях, например, в создании фоточувствительных поверхностей, недопустимы даже следы углеводородов. Все более увеличивается количество таких применений, в которых становится очевидным, что лучше было бы с самого начала использовать вакуумные насосы непарового типа, чем пытаться улавливать пары масла из насоса.
Из-за простоты и чистоты геттеро-ионные насосы, эти свободные от масла устройства, в настоящее время заменяют масляные насосы в широкой области вакуумных применений.
2.1.4. Геттеро-ионные насосы
Термин «геттеро-ионный насос» означает любой высоковакуумный насос, который использует как «геттер», так и ионизацию для обеспечения постоянного захвата (откачки) атомов и молекул газа. Слово «геттер» вошло в обиход из производства электронных ламп, где оно применялось в течение многих лет для обозначения химически активных металлов и сплавов, использующихся внутри электронных ламп. В лампе геттер испаряется на определенный участок стеклянной колбы и служит для улучшения существующего вакуума путем захвата добавочных молекул газа; при этом используется химическое взаимодействие между геттером и остаточными газами. Вновь испаренная пленка геттерного материала соединяется химически с неинертными газами, которые имеются в трубке. Эти молекулы или атомы, тем самым, удаляются из обращения, и катод лампы предохраняется от их вредного воздействия.
Термин «геттеро-ионный насос» применим к вакуумным насосам из-за полной аналогии с геттерами, которые используются в электронных лампах. Ионизация добавляется потому, что без нее благородные газы, такие как аргон, не могут быть откачаны. Так как воздух содержит примерно 1 % аргона, абсолютно необходимо, чтобы насос обладал способностью откачивать аргон, для того чтобы достичь высокого вакуума, когда откачивается воздух. Поэтому, хотя ионизация играет относительно меньшую роль в механизме газопоглощения любого геттеро-ионного насоса, она необходима.
Следует подчеркнуть, что газопоглощение всегда имеет место на твердых поверхностях внутри насоса. В газовой фазе не имеется соударений между молекулами газов и титаном. Захват происходит только тогда, когда атомы, молекулы или ионы газов ударяются о поверхность, на которую осажден титан. Когда это происходит, они обычно прилипают, если только поверхность уже не насыщена частицами газов, которые попали на нее раньше.
Физические принципы
Химическое связывание атомов и молекул газов является наиболее сильным эффектом откачки в геттеро-ионных вакуумных насосах. Оно надежно лишь для откачки большинства активных (неинертных) газов, таких как кислород, азот, водород и многие другие. Это объясняется эффективностью титана, который сильно реагирует почти со всеми элементами. Титан используется в большинстве геттеро-ионных насосов из-за его химической активности в сочетании с такими благоприятными факторами, как невысокая стоимость, легкость обработки, возможность сочленения с другими материалами и достаточное давление паров ниже точки плавления. Хотя были испробованы и другие металлы, в современных насосах обычно применяется титан. Ионизация атомов и молекул газов является вторичным эффектом, который используется для захвата инертных газов, а также для того, чтобы разложить сложные молекулы, такие как водяные пары и метан. Для того, чтобы откачать инертные газы, высоко-энергетичные ионы должны быть созданы и притянуты к поверхности, на которой они покрываются атомами металла и, таким образом, поглощаются.
Таким образом, чтобы эффективно откачать широкий ассортимент газов, в том числе воздух, геттеро-ионный насос должен включать в себя: 1) устройство для осаждения химически активного металла, такого как титан, на внутреннюю поверхность насоса; и 2) устройство для ионизации газов.