Принцип действия и классификация электрофизических средств откачки
Принцип действия и классификация электрофизических средств откачки
Преимущества физико-химических насосов перед механическими и паромасляными заключаются в возможности устранения загрязнения рабочей камеры парами рабочих жидкостей, которые присутствуют в этих насосах.
Электрофизические насосы всех типов являются накопительными, то есть откачиваемые газы поглощаются в насосе в виде хемосорбцион-ных слоев, химических соединений и «замурованных» атомов [3].
Основной механизм связывания химически активных газов — хемосорбция; инертные газы при нормальной температуре в отличие от химически активных газов внедряются в поверхность твердого тела только в ионизированном состоянии при определенной энергии ионов. Химически активная поверхность, поглощающая газы, может быть организована формированием пористой структуры с высокоразвитой поверхностью, однократным или периодическим нанесением пленки поглощающего металла, непрерывным возобновлением поверхности.
Поглощение газов химически активными металлами может происходить в результате химического взаимодействия и физической сорбции. Физическая сорбция происходит при температуре около температуры кипения сорбата или ниже при данном давлении, хемосорбция -при более высоких температурах.
К газопоглотителям, предназначенным для получения низких давлений, предъявляют следующие требования:
-
— универсальность хемосорбционных свойств по отношению к максимальному числу газов;
-
— максимальная поглотительная способность, то есть объем газов, удерживаемых поглотителем;
-
— малое давление пара газопоглотителя и давление диссоциации продуктов реакции;
-
— устойчивость материала поглотителя на воздухе после прогрева в вакууме и высокая химическая активность;
-
— легкое обезгаживание, то есть поглотитель должен содержать небольшое количество газов, легко выделяемых при обезгаживании в вакууме.
В испарительных насосах геттер (газопоглотитель) должен обладать высоким давлением пара при температуре испарения и низким давлением пара при температуре конденсации. Наиболее универсальным геттером является титан.
При взаимодействии нейтральных атомов испаряемого материала и ускоренных ионов откачиваемых газов с поверхностью сорбента различают следующие основные процессы поглощения: сорбция, ионная откачка и «замуровывание» ионов.
Сорбция — поглощение молекул газа в результате образования слабой физической или сильной химической связи и твердых растворов. Физически сорбируются только молекулы инертных газов. При откачке активных газов преобладает механизм образования химических соединений (оксидов, нитридов, гидридов). Эти химические соединения редкоземельных металлов имеют весьма низкие давления паров и диссоциируют лишь при очень высоких температурах.
Ионная откачка — поглощение ионизированных молекул газа в результате внедрения ускоренных электрическим полем ионов в материал геттера с последующей диффузией.
Ионы химически активных газов могут образовывать химические соединения, а ионы инертных газов удерживаются в кристаллической решетке физическими связями. При непрерывной ионной бомбардировке геттера часть ранее захваченных ионов газа в результате катодного распыления может возвращаться в откачиваемой сосуд. При поглощении геттером ионов смеси различных газов возможно замещение одного газа другим. Энергия связи ионов с поверхностью близка к энергии связи молекул при хемосорбции. При постоянной скорости ионов количество поглощенного газа прямо пропорционально силе разрядного тока и времени его прохождения.
«Замуровывание» атомов играет существенную роль при откачке инертных газов, хотя и не влияет на общую быстроту откачки насоса.
При нормальной температуре время сорбции молекул инертного газа на сорбирующих поверхностях слишком мало, чтобы это механизм откачки мог быть заметным. Падающий на поверхность атом находится на поверхности сорбции значительное время, достаточное для «замуровывания» его слоями распыляемого геттера. При увеличении отрицательного потенциала поверхности сорбции и скорости распыления геттера этот эффект становится более значительным и быстрота откачки возрастает.
Таким образом, частица, бомбардирующая катод, может подвергаться упругому или неупругому рассеянию, внедряться в материал катода или сорбироваться на его поверхности. В общем случае взаимодействия, происходящие при этом явлении, определяются видом частицы (нейтральный атом или заряженный ион) и ее энергией, а также энергетическим состоянием и природой сорбирующей поверхности.
Эффективность работы насосов определяется:
-
— правильностью выбора формы насоса, обеспечивающего подвод газа к поверхности геттера;
-
— количеством геттера и степенью его полезного использования.
Поверхность геттера может быть невозобновляемой либо возобновляемой периодически или непрерывно.
По методу нанесения геттера различают испарительные, ионносорбционные и магнитные электроразрядные насосы.
В испарительных насосах используется металлическая пленка, которая может быть образована путем прямого или косвенного нагрева рабочего тела. В качестве материала в испарительных насосах чаще всего используется титан. Титан образует прочные нелетучие соединения или твердые растворы почти со всеми газами, имеющимися в вакуумных системах, за исключением инертных газов и углеводородов. Однако различие в механизме поглощения различных газов приводит к тому, что быстрота действия испарительных насосов по разным газам неодинакова.
Как уже было сказано выше, работа испарительных насосов основана на поглощении активных газов поверхностью металлов. Показателем активности газа является теплота адсорбции на данном металле. Наибольшее распространение для хемосорбционной откачки получили следующие металлы: титан (Ti), цирконий (Zr), тантал (Та), барий (Ва), молибден (Мо), вольфрам (W).
Испарение титана происходит в испарителе 5 путем резистивного нагрева. Атомы титана, конденсируясь на экранах 2, образуют пленку титана. Экран охлаждается проточной водой. Пленка титана хемосорбирует газы из откачиваемого объекта.
Охлаждение экранов жидким азотом увеличивает коэффициенты прилипания активных газов, таким образом, увеличивается быстрота действия испарительного насоса.
Возможность непрерывного обновления пленок увеличивает срок службы насоса.