Анализ и сравнение применяемых защитных устройств
Конструктивное разнообразие устройств защиты объясняется их различными защитными свойствами, стоимостью создания и эксплуатации и применимостью для конкретной деятельности. Для возможности их сравнения необходимо пояснить принцип работы и выделить конструктивные особенности каждого из них. Начнем с рассмотрения устройств, предотвращающих образование осадка на смотровом окне.
Наиболее простой по конструкции является защита смотрового окна 1 при помощи легкосъемного стекла 2, показанная на рисунке 1.1. Ее эффективно использовать в системах с низкой интенсивностью запыления смотрового окна. Такая защита обеспечивает большой угол зрения за процессами в вакуумной камере.
Рисунок 1.1 ‒ Защита смотрового окна при помощи быстросъемного стекла
Другое защитное устройство содержит стекло 1 и сильфон 2 (см. рисунок 1.2). Сильфон в момент необходимости наблюдения за процессами в камере поворачивают на необходимый угол. Таким способом защиты обеспечивается большой угол зрения для наблюдения, а также больший срок службы, чем предыдущее устройство.
Рисунок 1.2 – Защита смотрового окна при помощи сильфона
Защита смотрового окна 1 может осуществляться за счет заслонки 2 (см. рисунок 1.3). Она располагается перед смотровым окном 1 и открывается тогда, когда появится необходимость вести наблюдения. Заслонка может перемещаться за счет вращения рукоятки, находящейся за пределами вакуумной камеры. Для обеспечения герметичности стыка рукоятки и камеры последняя оснащается вводом движения в вакуум. Данное устройство защиты является наиболее распространенным за счет простоты конструкции и легкости обслуживания.
Рисунок 1.3 – Защита смотрового окна при помощи заслонки
Похожим по конструкции является устройство, представляющее собой затвор 2 (см. рисунок 1.4). Он располагается перед смотровым окном 1 и выполняет как защитные функции предыдущего устройства, так и дает возможность заменить стекло после утраты его прозрачности без разгерметизации вакуумной камеры.
Рисунок 1.4 – Защита смотрового окна при помощи затвора
Другое защитное устройство представляет собой поворотный экран 2, в котором предусмотрено отверстие (a), постепенно подводимое к незапыленным участкам стекла 1 (см. рисунок 1.5). Как и предыдущая конструкция, устройство оснащено вакуумным вводом. Небольшая величина отверстия (a) ограничивает угол зрения для наблюдения.
Рисунок 1.5 – Защита смотрового окна при помощи поворотного экрана
Конструктивно схожим является устройство, имеющее в своем составе стекло 1, сильфон 2 и неподвижный конус 3 (см. рисунок 1.6). Сильфон позволяет подводить отверстие конуса к незапыленным участкам стекла. Для большего срока службы по окончанию наблюдений рекомендуется отверстие конуса совмещать с центральной частью стекла.
Рисунок 1.6 – Защитное устройство с конусом и сильфоном
Следующее устройство состоит из стекла 1 и вращающихся дисков 2, имеющих прорези (см. рисунок 1.7). Частоту вращения дисков подбирают таким образом, чтобы большая часть потока частиц не проходила через щели на втором диске, а оседали на его поверхности. Как и предыдущая конструкция, эта имеет небольшой угол зрения. Для его увеличения можно сократить количество дисков, но это отразится в сокращении эффективности защиты смотрового окна.
Рисунок 1.7 – Защита смотрового окна при помощи вращающихся дисков
В устройстве на рисунке 1.8 для защиты стекла 1 используется прозрачная пленка 2. Она намотана на катушках, которые защищены экраном 3. Во время наблюдения пленка перематывается с одной катушки на другую, благодаря соединению одной из них через редуктор с электродвигателем. Этот тип защиты нуждается в регулировании скорости движения пленки из-за ее недостаточной устойчивости к высоким температурам.
Рисунок 1.8 – Защита смотрового окна при помощи прозрачной пленки
Модификация этого защитного устройства, представленная в патенте [14], подразумевает использование вместо прозрачной пленки металлической ленты с небольшим вставным стеклом (см. рисунок 1.9). При вращении катушек по часовой стрелке начинается протягивание от одного ролика к другому ленты 2, поддерживаемой направляющими. Натяжение ленты регулируется пружинными тросиками 4. Через смотровое окно 1 и быстросъемное стекло 3 в рамке можно наблюдать за процессом внутри камеры. Рамка движется вместе с лентой от упора возле одного ролика до упора возле другого ролика. Вращение катушек против часовой стрелки и стремление растянутых пружинных тросиков вернуться в свободное состояние позволяет перемещаться ленте с рамкой в противоположном направлении. Это позволяет лишний раз не растрачивать ресурс быстросъемного стекла.
Рисунок 1.9 – Модификация защитного устройства с протягиваемой лентой
Модификация уступает оригинальному устройству в обеспечении широкого угла обзора за процессами в камере, но способствует меньшему расходу стекла и его легкой замене.
Конструкция защитного устройства, показанного на рисунке 1.10, включает в себя стекло 1 и цилиндрический конденсатор 2, установленный на изоляторах 3. Защита осуществляется за счет отклонения конденсирующихся ионов электрическим полем конденсатора, поэтому эта система применима в установках, где имеет место ионизация частиц распыляемого материала, т.е. где покрытия наносятся методами магнетронного распыления и, особенно, КИБ.
Рисунок 1.10 – Защитное устройство в виде конденсатора
Наиболее массивной и эффективной конструкцией обладает комбинированное устройство [9], при котором используются следующие элементы: стекло 1, привод 2 с перфорированным диском 3, конфузор 4, шаровая опора 5, камера охлаждения 6 с охладительной рубашкой 7 (см. рисунок 1.11). Конфузор 3 служит для конденсации на наружной и внутренней его поверхностях паров испаряемого материала. Молекулы пара, прошедшие через конфузор, попадают в камеру охлаждения, в которой создается область с низкой температурой, где несконденсировавшиеся молекулы пара осаждаются на оребренной поверхности камеры. Отвод тепла обеспечивается циркуляцией хладагента в рубашке 5. Частицы пара, обладающие большим запасом энергии, устремятся дальше и встретят препятствие в виде вращающегося с большой скоростью перфорированного диска, соединенного с приводом. Устройство монтируется на камере благодаря шаровой опоре, которая позволяет повернуть механизм в сторону, когда наблюдать за процессами в камере не требуется. Такое устройство значительно увеличивает срок службы смотрового окна, однако имеет большие габариты и высокую стоимость обслуживания и эксплуатации.
Рисунок 1.11 – Комбинированное защитное устройство
Устройство для предотвращения образования осадка [10] оснащено фланцем, на котором герметично закреплено стекло 1 с оптически прозрачной и электрически проводящей пленкой 2 на его поверхности, имеющей электроконтакты 3 и 4. Для герметичности конструкции и обеспечения возможности наблюдения механизм дополнительно снабжен смотровым окном 5. Устройство в сборе крепится к фланцу вакуумной камеры (см. рисунок 1.12).
Рисунок 1.12 – Защитное устройство с токопроводящей пленкой
Для работы устройства по электроконтактам подают напряжение, в результате чего это приводит к нагреву пленки. Нагрев идет до тех пор, пока не будет достигнута температура, превышающая температуру конденсации паров испаряемого материала в вакуумной камере.
Прозрачная пленка может быть выполнена из серебра или ITO-покрытия, состоящего из тонкого слоя оксида индия-олова. Способность к электропроводности и нагреву делает их подходящими материалами для данной цели.
Данное устройство обладает значительным углом обзора, однако уязвимо к летящим каплям испаряемого материала, из-за невозможности влияния на них. Поэтому, при использовании этого устройства, вакуумная камера должна предусматривать защиту от попадания капельной фазы в рабочую полость камеры и на поверхность стекла-пленки. Другим недостатком можно считать возможность испарения в вакууме только тех материалов, температура конденсации которых ниже температуры плавления материала пленки.
Рассмотрим конструкции устройств для удаления уже осевшего осадка на смотровом окне на примере следующего механизма, представленного в патенте [13]. Он содержит в себе такие основные элементы, как стекло 1 и магниты 2 и 3 (см. рисунок 1.13). Рабочие торцы магнитов оклеены термостойкой тканью, предотвращающей возникновение царапин при их перемещении.
Рисунок 1.13 – Протирочное устройство при помощи магнитов
Для очистки окна от образованного осадка магнит 2 вручную перемещают по поверхности стекла, при этом магнит 3 за счет сил магнитного взаимодействия движется вместе с ним по внутренней поверхности стекла, удаляя осадок.
Данная конструкция имеет такие преимущества, как простота конструкции и небольшие габариты. Ее основными недостатками являются: необходимость правильного подбора материала стекла и особые требования к его поверхности.
Метод протирки окна не всегда удобен, особенно, когда процесс испарения в камере весьма интенсивен, из-за чего обновлять запыленные участки неэффективно. Поэтому, чаще всего применяются устройства, предотвращающие оседание частиц на смотровом окне.