Ця стаття допоможе вам зрозуміти кілька вакуумних насосів, які застосовуються в областях надвисокого та надзвичайно високого вакууму.
Коли тиск перевищує 10-5Па, він входить у область застосування надвисокого вакууму. На цьому етапі функція накачування більшості вакуумних насосів припиняється або швидкість накачування дуже низька. Які вакуумні насоси використовуються для досягнення надвисокого вакууму в цей час? Давайте разом коротко оглянемо.
Основною функцією механічного насоса є забезпечення необхідного попереднього розрідження для запуску турбомолекулярного насоса. Механічні насоси, які зазвичай використовуються, в основному включаютьвихрові сухі насоси, мембранні насоси тамасляні механічні насоси.
Мембранні насоси мають нижчу швидкість перекачування, але менший об’єм, і зазвичай використовуються для невеликих груп молекулярних насосів.
Механічний насос із масляним ущільненням є найбільш часто використовуваним механічним насосом у минулому, який характеризується високою швидкістю перекачування та хорошим кінцевим вакуумом. Недоліком є те, що часто виникає ситуація повернення масла. У системах надвисокого вакууму для використання, як правило, потрібні електромагнітні клапани (використовуються для запобігання випадковим відключенням електроенергії від повернення масла) і молекулярні сита (функція адсорбції).
В останні роки широко використовуються вихрові сухі насоси, перевага яких полягає в тому, що вони відносно прості у використанні та не повертають масло. Однак їхня швидкість відкачування та граничний вакуум трохи поступаються масляним механічним насосам.
Механічні насоси є важливим джерелом лабораторного шуму та вібрації. Кращим підходом є вибір малошумних насосів і розміщення їх якомога більше в обладнаних приміщеннях, але через обмеження робочої відстані останнього зазвичай нелегко досягти.
Турбомолекулярні насоси покладаються на високошвидкісні обертові лопаті (зазвичай близько 1000 обертів на хвилину) для досягнення спрямованого потоку газу, а співвідношення тиску вихлопу насоса до тиску на вході називається ступенем стиснення. Ступінь стиснення залежить від кількості ступенів, швидкості та типу газу в насосі. Як правило, гази з більшою молекулярною масою мають більший ступінь стиснення. Ступінь стиснення для азоту 108-109; Водень коливається від 102 до 104. Граничний вакуум турбомолекулярного насоса зазвичай вважається між 10-9-10-10мбар. Останніми роками завдяки безперервному розвитку технології молекулярних насосів максимальний вакуум був ще більше вдосконалений.
Через те, що переваги турбомолекулярних насосів можуть бути відображені лише в стані молекулярного потоку (стані потоку, при якому середня довжина вільного пробігу молекул газу значно перевищує максимальний розмір перетину повітроводу), необхідно обладнати з фронтальним вакуумним насосом з робочим тиском від 1 до 10-2Па. Через високу швидкість обертання лопатей може статися пошкодження або руйнування молекулярного насоса в разі зіткнення зі сторонніми предметами, тряски, удару, резонансу або газового удару. У початківців найпоширенішою причиною травм є газовий удар, викликаний помилками в експлуатації. Резонанс, спричинений механічними насосами, також може призвести до пошкодження молекулярних насосів. Хоча така ситуація зустрічається відносно рідко, її важко виявити через прихованість і вимагає особливої уваги.
Перевагами іонного насоса для розпилення є хороший максимальний вакуум, відсутність вібрації, шуму, забруднення, зрілий і стабільний процес, відсутність потреби в обслуговуванні. При тій же швидкості відкачування (за винятком інертного газу) його вартість значно нижча, ніж молекулярний насос, тому він широко використовується в системах надвисокого вакууму. Нормальний робочий цикл іонного насоса розпилення зазвичай становить понад 10 років.
Для належної роботи іонних насосів зазвичай потрібен тиск 10-7мбар або вище (робота в умовах нижчого вакууму може значно скоротити термін їх служби), тому для забезпечення кращого попереднього вакууму потрібен вузол молекулярного насоса. Загальною практикою є використання іонного насоса + TSP в головній камері та обладнання невеликої групи молекулярних насосів у інжекційній камері. Під час випікання відкрийте підключений пробковий клапан, і мала група молекулярних насосів забезпечить вакуум переднього ступеня. Після завершення випікання закрийте пробковий клапан і використовуйте іонний насос у поєднанні з TSP для досягнення надвисокого вакууму
Слід зазначити, що іонні насоси мають слабку адсорбційну здатність для інертних газів, а також є певна різниця в максимальній швидкості накачування порівняно з молекулярними насосами. Тому для ситуацій з великим виділенням газу або великою кількістю інертних газів потрібні молекулярні насосні установки. Крім того, під час роботи іонний насос створює електромагнітні поля, які можуть викликати перешкоди в особливо чутливих системах.
Принцип роботи титанового сублімаційного насоса заснований на випаровуванні металевого титану з утворенням титанової плівки на стінці камери для хімічної адсорбції. Перевагами титанового сублімаційного насоса є проста структура, низька вартість, легке обслуговування, відсутність випромінювання та вібрації.
Титановий сублімаційний насос зазвичай складається з трьох титанових ниток (для запобігання вигоранню), які можна використовувати в поєднанні з молекулярним або іонним насосом для досягнення хорошого ефекту видалення водню. Це найважливіший вакуумний насос у діапазоні 10-9-11-11мбар, який використовується в більшості камер із надвисоким вакуумом, які вимагають високого рівня вакууму.
Недоліком титанового сублімаційного насоса є те, що він потребує регулярного розпилення титану, і протягом періоду напилення (протягом кількох хвилин) вакуум зменшиться приблизно на 1-2 порядків величини. Тому деякі камери з особливими вимогами вимагають використання NEG. Крім того, для зразків/пристроїв, чутливих до титану, слід звернути увагу на те, щоб уникати положення титанового сублімаційного насоса.
Низькотемпературний насос
Низькотемпературні насоси в основному покладаються на низькотемпературну фізичну адсорбцію для отримання вакууму з перевагами високої швидкості накачування, відсутності забруднення та високого кінцевого вакууму. Основними факторами, що впливають на швидкість перекачування кріогенним насосом, є температура та площа поверхні насоса. У великомасштабних системах молекулярно-променевої епітаксії через високі вимоги до надзвичайного вакууму широко використовуються кріогенні насоси.
Недоліком кріогенних насосів є те, що вони споживають велику кількість рідкого азоту і мають високі експлуатаційні витрати. Система з циркуляційним холодильним агрегатом може не споживати рідкий азот, але це може спричинити відповідні проблеми, такі як споживання енергії, вібрація та шум. Тому кріогенні насоси рідше використовуються в традиційному лабораторному обладнанні
Абсорбційний насос - це тип вакуумного насоса, який широко використовується в останні роки. Його перевага полягає в тому, що він повністю використовує хімічну адсорбцію, не викликає випаровування та електромагнітного забруднення, і часто використовується разом з молекулярними насосами для заміни титанових сублімаційних насосів та розпилювальних іонних насосів. Недоліком є висока вартість і обмежений час регенерації. Він зазвичай використовується в системах, які вимагають високої стабільності вакууму або дуже чутливі до електромагнітних полів.
Крім того, завдяки тому факту, що всмоктувальний насос не потребує додаткового живлення, окрім початкового включення, його часто використовують як допоміжний насос для збільшення швидкості перекачування та ступеня вакууму у великих системах, що може ефективно спростити систему.
