2. Методы создания и контроля высокого вакуума

Первые исследования вакуума можно отнести ко време- нам Торричелли, когда после создания им манометра начались исследования так называемой Торричелевой пустоты, возникающей в ртутном манометре над поверхностью ртути. Долгое время шли споры о степени разряжения в этой области. Сейчас очевидно, что давление в этой области было около 10³ mm рт.ст.(давление насыщенного пара ртути при комнатой температуре), что по современным классификациям относится к области низкого вакуума. Однако такой метод откачки хотя и даёт возможность создавать достаточно неплохой вакуум, достаточный для проведения некоторых экспериментов, однако откачивание таким методом значительных объёмов не представляется возможным. Кроме того для многих экспериментов необходим высокий (10⁶) либо сверхвысокий (10⁹) вакуум.

Для получения столь высокого вакуума используются специальные насосы (кроме того, для создания сверхвысокого вакуума необходимо использовать прогреваемые системы со специальными тефлоновыми или металлическими прокладками). Для получения высокого и сверхвысокого вакуума используется комбинированная откачка. Форвакуумная откачка осуществляется например механическим насосом, либо, если высоковакуумный насос является орбитроном, форвакуум создаётся криосорбционным насосом, который позволяет получить вакуум, достаточный для запуска высоковакуумных насосов.

Используется два типа высоковакуумных насосов: магниторазрядные и диффузионные(их использование связано с возможностью их использования без дефицитного на данный момент(вследствие недостаточного финансирования) жидкого азота).

Принцип работы магниторазрядных насосов основан на нескольких эффектах. Первый это гетерные свойства свеженапыленной плёнки титана (она захватывает молекулы остаточных газов), которые используется в насосах типа орбитрон, в которых создание свеженапыленной плёнки осуществляется термическим распылением титана, и воздействии на ионизированные молекулы газа электромагнитным полем, которое внедряет их в титан и при этом распыляет титан, создавая свеженапыленную плёнку титана.

Принцип работы диффузионного насоса подобен пылесосу, который используется для побелки. Создаётся поток молекул рабочего газа, увлекаю-щий за собой молекулы остаточных газов.

Кроме того для создания сверхвысокого вакуума, как средство предварительной откачки используются криосорбционные насосы, создающие вакуум, достаточный для запуска орбитронов, принцип работы криосорбционных насосов основан на зависимости абсорбционных свойств материала от температуры. Для откачки гетер (которым часто является активированный уголь) охлаждается жидким азотом, при этом его геттерные свойства улучшаются и он активно абсорбирует газ, создавая вакуум.

Для контроля высокого вакуума по ряду причин не применимы методы измерения давления применяемые в области обычных и умеренно высоких давлений. Одной из причин является то, обычные методы контроля давления основаны на измерении силы, а в случае даже низкого вакуума придётся иметь дело с измерением малых сил, либо малой разности сил, и хотя для давлений до 10³ мм.рт.ст. ещё возможно с применением специальных конструкций ртутных манометров, однако для более высокого вакуума они не применимы. Кроме того следует учитывать, что жидкостные манометры не могут измерить давление меньше давления насыщенных паров рабочей жидкости, кроме этого они могут быть источником загрязнений. Вследствие этого для контроля вакуума применяют другие методы, которые не позволяют получить такую же точность, как обычные манометры, но обладают приемлемой точностью для вопросов контроля вакуума.

Для контроля форвакуума используются термопарные манометрические лампы. Принцип их работы основан на зависимости теплоотдачи от давления. Принципиальная конструкция их достаточно проста имеется проволока, нагреваемая от источника постоянного тока, ток должен поддерживаться по возможности постоянным, к которой приварена термопара. Проволока нагревается от источника постоянного тока(сила тока — подбирается индивидуально обычно она меньше 150 мА), температура нагреваемой проволоки контролируется с помощью термопары. Поскольку подвод тепла постоянен(проволока нагревается Джоулевым теплом, тепло выделяющиеся в нагревателе полностью определяется током через проволоку и её сопротивлением), температура проволоки определяется теплоотдачей, которая, как писалось выше зависит от давления. Лампы этого типа позволяют контролировать давление соответствующие давлению форвакуума и позволяет определить давление, при котором можно запускать высоковакуумные насосы. Преимущества данных ламп- возможность их экспонирования на атмосферу, даже во включённом состоянии. Загрязнение вакуума маслом также незначительно портит лампы этого типа, однако их использование невозможно для контроля высокого вакуума.

Для контроля высокого вакуума, в котором и производится напыление, используются ионизационные типы манометрических ламп. Принцип их работы основан на зависимости ионизационного тока от степени вакуума. Лампа представляет катод, из которого, за счёт его разогрева, эмитируются электроны, между катодом и анодом прикладывается ускоряющее напряжение, благодаря которому электроны ускоряются, ионизируют молекулы остаточных газов, по развиваемому току можно судить о вакууме. К недостаткам данных ламп можно отнести выход их из строя не только при экспонировании работающей лампы на атмосферу, но и включение её в форвакууме. Кроме того загрязнение системы маслом, приводит к её быстрому выходу из строя.

Стоит отметить, что показания обоих типов ламп зависят от большого числа трудно учитываемых и трудно воспроизводимых условий и выбранных значений токов нагрева, однако эти лампы обеспечивают достаточную точность для проведения многих экспериментов.

Так же стоит отметить, что для контроля вакуума в случае использования НОРДов либо других типов гетерионных насосов можно использовать их ионный ток, который связан с вакуумом, причём с допустимой точностью в области их работы(не учитывая область запуска) можно считать ток обратно пропорциональным давлению в насосе, присутствующая в уравнении I(p) константа, определяется например с использованием показания например ионизационных манометрических ламп. Недостатком такого метода контроля является то, что измеряется давление в насосе, которое может значительно отличаться от давления в откачиваемой системе. Однако используя такой способ контроля можно значительно уменьшить износ ионизационных ламп.