Насосы для высокого и сверхвысокого вакуума - какие типы насосов применяются, задачи в условиях сверхвысокого вакуума

Что такое Сверхвысокий вакуум?

Фактические значения высокого вакуума (таблица 1) варьируются примерно от 1,33 х 10-5 Па, в то время как уровни сверхвысокого вакуума (UHV) находятся в диапазоне вакуума, характеризующемся давлением около 10-6 Па и выше.

Таблица - Характеристики различных степеней вакуума

Сверхвысокий вакуум требуют использования специальных материалов и методов обработки, таких как предварительный нагрев (т.е. обжиг) всей системы в течение нескольких часов перед обработкой для удаления воды и других остаточных газов, которые адсорбируются на поверхностях камеры. 

Особенности создания Сверхвысокий вакуум?

Для создания условий сверхвысокого вакуума необходимы специальные материалы и способы откачки. Уплотнения и прокладки, используемые между компонентами в системе UHV, должны исключать даже малейшую утечку. Поэтому почти все уплотнения полностью металлические, с окантовками с обеих сторон, врезающимися в мягкую прокладку, обычно из меди. Эти цельнометаллические уплотнения могут сохранять целостность в диапазоне сверхвысокого вакуума.

Первым этапом будет откачена вакуумная камера б до 1 Па с помощью форвакуумного насоса. Затем камера будет откачана примерно до 1 х 10-4 Па с использованием одного или нескольких из следующих типов насосов: 

• турбомолекулярные;
• ионные; 
• крионасосы.

Сверхвысокий вакуум измеряется с помощью ионных датчиков, либо с помощью горячей нити накала, либо с помощью инвертированного магнетрона.

На этом этапе вакуумная камера заключена в термостойкий материал и выпекается до температуры около 180°C . Через 24 часа выпекания плиты удаляются, и камере дают остыть. После достижения комнатной температуры в камере должно быть давление в области сверхвысокого вакуума. Процесс обжига удаляет атомы газа с поверхностей стенок камеры (если бы камера не подвергалась обжигу, потребовалось большое количество времени, прежде чем камера достигла условий сверхвысокого вакуума).

Рекомендации по достижению сверхвысокого вакуума

1. Используйте камеру небольшого размера (для минимизации площади поверхности);
2. Высокая скорость откачки при использовании нескольких вакуумных насосов последовательно и/или параллельно;
3. Трубки с большой проводимостью к насосам — большой диаметр, короткие отрезки с минимальными препятствиями (клапаны и т.д.);
4. Использование материалов с низким содержанием газов (нержавеющая сталь, алюминий, титан и т.д.);
5. Избегайте образования скоплений газа за болтами, сварочных пустот;
6. Все внутренние металлические детали должны быть отполированы электрополировкой после механической обработки или сварки;
7. Используйте материалы с низким давлением пара (керамика, стекло, металлы, тефлон, если он не обожжен).;
8. Запекайте систему для удаления воды или углеводородов, адсорбированных на стенках;
9. Охлаждайте стенки камеры до криогенных температур во время использования;
10. Используйте перчатки, чтобы избежать любых следов углеводородов, включая кожные масла в отпечатках пальцев.

Задачи в условиях сверхвысокого вакуума

Вакуумные камеры, изготовленные из нержавеющей стали, широко используются в условиях высокого и сверхвысокого вакуума. Однако существуют и другие конструкционные материалы, которые также могут иметь преимущества,  такие как, например: алюминий, титан, медь. Например, алюминий с меньшим количеством захваченного водорода и углерода выделяет меньше водорода, водяного пара и паров углеводородов в вакуумную среду, что обеспечивает более быстрые циклы до уровней высокого вакуума и сверхвысокого вакуума, более быстрое выпекание при меньшей откачке. Вакуумные камеры из меди / медного сплава используются для немагнитных, радиочастотных (RF) и высокоточных применений. Титановые вакуумные камеры с их очень низкой скоростью проникновения водорода (и вторичного газа) обладают геттерирующими свойствами в дополнение к другим свойствам.

Выделение газов (как с внутренних поверхностей, так и из конструкционных материалов) является серьезной проблемой для систем сверхвысокого вакуума. Выделение газов из внутренних материалов сводится к минимуму благодаря тщательному выбору материалов с низким давлением пара (например, стекло, нержавеющая сталь, керамика). Выделение газов также может происходить из многих пластмасс. Сосуды, облицованные газопроницаемым материалом (например, палладием) с высокой проницаемостью для поглощения водорода, также создают особые трудности с выделением газов.

Выделение газов с поверхностей - более сложная проблема. При чрезвычайно низких давлениях большее количество молекул газа адсорбируется на стенках, которые перемещаются в камере, поэтому общая площадь поверхности внутри камеры становится более важной, чем ее объем. Водяной пар является значительным источником выделения газов, особенно когда камера открыта для воздуха, поскольку любой присутствующий водяной пар поглощает другие загрязнения и испаряется с поверхностей слишком медленно, чтобы быть полностью убрать с поверхности при откачки при комнатной температуре, но достаточно быстро, чтобы обеспечить постоянный уровень фонового загрязнения. Удаление воды и аналогичных газов обычно требует выпекания при температуре от 180 ° C до 400 ° C  во время работы вакуумных насосов. Во время использования стенки камеры могут охлаждаться с использованием жидкого азота для дальнейшего уменьшения выделения газов.

Водород и монооксид углерода являются наиболее распространенными фоновыми газами, присутствующими после обжига из таких источников, как нержавеющая сталь. Диффузия гелия не считается существенной.

Области применения сверхвысокого вакуума

Методы анализа, такие как XPS (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия), AES (электронная спектроскопия Оже), SIMS (масс-спектрометрия вторичных ионов), TPD (Спектроскопия термодесорбции), ARPES (Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением) и методы тонких пленок, требуют высокой точности в течение длительного времени анализа и, следовательно, являются основными кандидатами для сверхвысокого вакуума.

UHV также используется в ускорителях частиц, детекторах гравитационных волн, атомной физике и микроскопии (например, атомная сила и сканирующее туннелирование). Кроме того, UHV требуется для большинства научных испытаний на поверхности по двум основным причинам:

1. Чтобы обеспечить подготовку атомарно чистых поверхностей к исследованию и поддерживать эти поверхности в состоянии, свободном от загрязнений, в течение всего эксперимента.
2. Чтобы разрешить использование низкоэнергетических экспериментальных методов на основе электронов и ионов без чрезмерных помех от рассеяния в газовой фазе.