1 Лекция 6. Физико-химические методы получения вакуума 1. Физические свойства 2. Измерение вакуума 3. Получение вакуума (3 лекции) 4. Компоненты вакуумных систем (1 лекция)

2 Классификация вакуумных насосов по принципу действия: механические физико-химические по назначению: Низковакуумные (форвакуумные) – 760 Торр Высоковакуумные (техн. вакуум) Торр Сверхвысоковакуумные Торр

3 механические вакуумные насосы объемные молекулярные Пластинчато- роторные Жидкостно- кольцевые Спиральные Поршневые физико-химические вакуумные насосы Классификация вакуумных насосов по принципу действия Турбомолекулярные насосы Струйные насосы

4 сорбция (геттерный вакуумный насос), ионная откачка (ионно-геттерный вакуумный насос) «замуровывание» ионов Ионная откачка – это поглощение ионизированных молекул газа в результате внедрения ускоренных электрическим полем ионов в материал геттера с последующей диффузией. Ионы химически активных газов образовывают химические соединения, а ионы инертных газов – удерживаются в кристаллической решетке физическими связями. При непрерывной ионной бомбардировке и высокой скорости распыления геттера часть ионов «замуровывается». Основные процессы при поглощении газов:

5 Электрофизические насосы всех типов являются накопительными, т.е. откачиваемые газы поглощаются в насосе. Поглощение газов происходит химически активными металлами за счет химического взаимодействия (хемосорбция) и физической сорбции. Диапазон давлений для этих насосов – Торр Эффективность сорбции зависит от природы сорбента и газа. Физико-химические методы получения вакуума

6 Основной механизм связывания химически активных газов – хемосорбция - химическая сорбция, поглощение жидкостью или твёрдым телом веществ из окружающей среды, сопровождающееся образованием химических соединений. Химически активная поверхность, поглощающая газы, может быть: Пористой структурой с высокоразвитой поверхностью (распыляемый порошок) Однократно или периодически наносимой пленкой поглощающего материала Непрерывно возобновляемой поверхностью Физико-химические методы получения вакуума

7 Требования к газопоглотителю (геттеру) Универсальность сорбционных свойств по отношению к максимальному числу газов Максимальная поглотительная способность газов Легкое обезгаживание Устойчивость материала поглотителя на воздухе после прогрева в вакууме и высокая химическая активность; малая цена Наиболее подходят: Ti, Zr, Ta, Ba, Mo, Hf, Er, лантаноиды, скандий, иттрий. По комплексу свойств наиболее подходит титан.

8 Молекулы газа ионизируются электронами (в газовом разряде) Под действием электрического поля ионы ускоряются (энергия кэВ) и бомбардируют титановвый катод. В результате соударений титановвый катод распыляется, частицы оседают на стенках насоса. Слой нанодисперсного титана является сильным химическим реагентом, который вступает в реакцию с химически активными газами. Последовательность работы гетерного вакуумного насоса

9 Ионизаторы а) ячейка Пеннинга, б) обращенный магнетрон, в) квадрупольный, 1 – катод, 2 – анод, 3 – корпус, 4 – нагреватель. Удлинение пути электронов за счет движения в скрещенных полях (E B)

ионизация электронным ударом Изменение концентрации электронов (и ионов): Повышение эффективности ионизации остаточного газа

11 Закон Пашена Кривая Пашена для воздуха ГазNeАrАrH2H2 Воздух (p·d) мин. см·Торр U пр мин, В

Зависимость сечения ионизации атомов от энергии налетающего электрона.

Эффективность ионизации электронами средних энергий ( 100 эВ), в зависимости от рода газа составляет от 3 до 25 ионов на 1 м пути при давлении 1 Па. Повышение эффективности ионизации остаточного газа

14 R.N. Sudan and R.V. Lovelace Generation of Intense Ion Beams in Pulsed Diodes // Physical Review Letters, 1973, vol. 31, # 19, pp Повышение эффективности ионизации остаточного газа

15 Чувствительность манометра можно увеличить еще на 2–3 порядка, если поместить его датчик в магнитное поле. При этом, за счет движения электронов по спирали в магнитном поле, увеличивается эффективность ионизации молекул газа (индукция В 0,1 Тл) Диапазон давления Торр постоянная времени 0,5 с. N S N S Магнитные электроразрядные преобразователи Манометр Пеннинга

16 Химически активными являются газы: кислород, азот, оксид и диоксид углерода, вода. Благородные газы, такие как гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, являются химически неактивными. Они откачиваются методом «ионного захоронения», при котором инертные атомы «заштукатуриваются» распыленными атомами геттера.

17 сорбция (геттерный вакуумный насос), ионная откачка (ионно-геттерный вакуумный насос) «замуровывание» ионов Ионная откачка – это поглощение ионизированных молекул газа в результате внедрения ускоренных электрическим полем ионов в материал геттера с последующей диффузией. Ионы химически активных газов образовывают химические соединения, а ионы инертных газов – удерживаются в кристаллической решетке физическими связями. При непрерывной ионной бомбардировке и высокой скорости распыления геттера часть ионов «замуровывается». Основные процессы при поглощении газов:

18 Ионная откачка ионизатор геттер

19 Методы нанесения геттера: Испарение резистивным или электронно-лучевым нагревом (насосы типа СТОН, НИБ, ОГИН); Распыление высокоэнергетичными ионами (насосы типа НМД); Электродуговое испарение (насосы типа НДМ).

20 Испарительные геттеры Производиться нагрев геттера 2 до температуры, близкой к плавлению а) твердофазные и с образованием жидкой фазы б) посредством нагревателя 3 или пучком с катода 5. Главный недостаток – наличие накаленных частей, что ограничивает ресурс и управление насосом. (температура плавления Ti 1650 °С)

21 Метод катодного распыления Метод катодного распыления основан на распылении атомов материала катода ионами высокой энергии, образуемых в плазме разряда, горящего в атмосфере откачиваемого раза. Различают системы: диодную а), триодную б) и ускоренный пучок в). Достоинство – «холодные» электроды – высокий ресурс. 1- корпус, 2 – катод, 3 – анод, 4- ускоритель плазмы, 5 – поток плазмы.

22 Эрозионные плазменные испарители Для получения сорбирующих покрытий используют эрозию электродов в электрических разрядах а) искровом, б) дуговом - постоянного и в) импульсного разряда. Достоинство искровых насосов – регулирование расхода геттера изменением частоты инициирующих импульсов. Дуговые разряды имеют высокий кпд – до 80%. Давление запуска достигает 10 Па. 1- анод, 2 –расходный катод, 3 – поджигающий электрод.

23 Испарительный геттерный насос СТОН Титановая проволока испаряется электронным пучком и напыляется на криогенный вкладыш. Быстрота действия до л/с, Предельный вакуум Торр при охлаждении азотом. 1- корпус, 2- сосуд Дьюара, 3- электронно-лучевой испаритель с системой подачи проволоки, 4 – азотная ловушка, 5 – диффузионный насос, 6 – охлаждаемый вкладыш.

24 Испарительный геттерный насос НИБ Испаряется титановвая или биметаллическая проволока (титан на молибдене). Скорость по Н 2 до л/с, Предельный вакуум Торр при охлаждении азотом. 1- корпус, 2- блок испарителей, 3- теплоизоляция, 4 – накопитель жидкого азота, 5 – поворотный экран-жалюзи, 6 - привод жалюзи.

25 Дуговой вакуумный насос НДМ Дуговой разряд формирует плазму на поверхности катода – испарителя. Быстрота действия до л/с, Предельный вакуум Торр при охлаждении азотом 1- корпус, 2- блок испарителей, 3- экран, 4 – поджигатель, 5-накопитель азота, 6 –нагреватель, 7- кожух, 8 – поворотный экран-жалюзи,

26 Геттерно-ионный насос ГИН Кроме хемосорбции происходит ионизация газов с последующим внедрением ускоренных ионов в поверхность распыленного геттера. Ионизация и ускорение увеличивает скорость откачки и рабочий объем поглощения геттера. 1 – корпус (охлаждение водой) 2 - титанов-молибденовые испарители 3 – сетчатый анод 1 4 – накаливаемый катод 5 – сетчатый анод 2 температура плавления Ti 1650 °С, Mo 2617 °С

27 Геттерно-ионный насос ГИН Ионизатор образуют катоды 4 и аноды 3 и 5. Электроны, эмитируемые накаленным катодом 4, совершают колебательные движения около внешнего анода 5. Образующиеся при соударении электронов с молекулами газа положительные ионы в промежутке между анодом 5 и корпусом приобретают значительную скорость в направлении к корпусу насоса. Внедрение ускоренных ионов в пленку титана усиливает эффект сорбции газа пленкой геттера.

28 Геттерно-ионный насос ГИН-5 Предельное остаточное давление Торр. Рабочий диапазон Торр Быстрота действия насоса по воздуху 6500 л/с.

29 Геттерно-ионный насос ГИН

30 Электроразрядные геттерно-ионные насосы типа ЭГИН Откачка в насосе основана на удалении молекул газа в результате процессов: - ионизации в тлеющем разряде в магнитном поле и катодного распыления геттера, - внедрения и замуровывания ионов в катодах, - хемосорбции газов пленками напыляемого геттера. Скорость по воздуху до л/с, давление до Торр 1 - корпус, 2 - узел испарителей, 3 - магнитный блок, 4 - электродный блок, 5 - высоковольтный блок, 6 - испаритель, 7 - рубашка водяного охлаждения

31 Орбитальный геттерно-ионный насос ОГИН Эмитируемые нитью накала электроны вращаются вокруг анода, ионизируя газ. Часть попадает на геттер и испаряет его. Титан осаждается на охлаждаемый корпус. Скорость по воздуху до 5000 л/с, давление от до Торр при охлаждении азотом. 1- корпус, 2- анод, 3- геттер, 4 – источник электронов, 5 – экран- токоввод, 6 – отражательный электрод, 7 – трансформатор нагрева, 8- источник питания.

32 Магнитный электроразрядный насос В диодном насосе между двумя катодными пластинами расположен ячеистый анод 1, на который подается напряжение кВ. Разряд возбуждается и горит тем интенсивнее, чем выше давление. Ионы попадают на катод и вызывают испарение геттера, который осаждается на ячейках анода и сорбирует газ. Саморегулирование скорости испарения геттера обеспечивается в магнитных электроразрядных насосах, в которых горит газовый разряд в скрещенных полях. Насосы надежны, просты конструктивно, имеют высокий ресурс и устойчивы к авариям. 1 – анод 2 - магнит

33 Принцип работы магнитных электроразрядных насосов В насосе анод может представлять собой короткую секцию металлической трубки с круглым или квадратным сечением. Напротив каждого открытого торца расположена титановвая пластина, которая является катодом. Внешние магниты создают постоянное магнитное поле 0.08 – 0.2 Тл, параллельное оси анода. Такая ячейка представляет собой диодный насос.

34 Затем ячейки заключаются в подходящую оболочку и данная сборка становится насосом. Для увеличения скорости откачки в корпус устанавливают несколько ячеек Магнитный электроразрядный насос

35 Функция анодной ячейки заключается в создании с помощью магнитного поля «облака» электронов с высокой энергией. Магнитное поле заставляет двигаться электроны по спиральной траектории, что увеличивает вероятность их соударений с молекулами газа, увеличивая количество образующихся ионов. Данные ионы разгоняются высоким анодным напряжением в направлении катода, бомбардируют его, и в результате соударения выбивают атомы титана. Магнитный электроразрядный насос

36 Выбитые из катода атомы осаждаются на внутренних поверхностях насоса, где вступают в химическую реакцию с активными газами, образуя устойчивые химические соединения. Эффективность откачки зависит от плотности электронного облака (которая определяет количество образующихся электронов) и коэффициента распыления (которая определяет количество образующегося геттерного материала). Плотность электронов зависит от геометрии ячейки Пеннинга и от напряженностей электрического и магнитного полей. Магнитный электроразрядный насос

37 Количество образованной пленки из геттерного материала является функцией от количества соударений с ионами откачиваемого газа. Таким образом, ионно-геттерный насос является саморегулирующимся – он распыляет столько геттерного материала, сколько необходимо при данном давлении. По этой причине при очень низких давлениях катодная пластина практически не эродирует и потребление электрической энергии очень мало.

38 Когда необходимо откачать значительное количество благородных газов, необходимо использовать конфигурацию триод-ионного насоса. В триодном насосе катод находится под отрицательным потенциалом и состоит из тонких пластин, благодаря чему выбивание атомов катода происходит при наклонно-скользящем соударении ионов по катоду. Благодаря этому они не имплантируются в катод в заметном количестве и нет большого выхода из катода ранее внедренных атомов. Вместо этого атомы газа или вступают в химическую реакцию, или покрываются слоем распыленных атомов геттера.

39 Магнитные электроразрядные насосы НМДО Скорость по воздуху до 1000 м 3 /с, давление от до Торр при охлаждении водой. Особенность – потенциал подается на катод. 1 – корпус, 2 – катод, 3 – трубка охлаждения, 4 – анод, 5 – изолятор, 6 – экран, 7- токоввод, 8 – магнит, 9 – магнитопровод.

40 Промышленное технологическое оборудование ООО «Призма», г. Искитим Производительность от 6 до 1200 л/с, Предельное остаточное давление 4* Торр

41

42

43 Комбинированные насосы Это совокупность нескольких типов насосов в одном корпусе: Сорбционного и испарительно-ионного насосов, Дугового и магнитно-разрядного насосов и т.п. Целесообразность связана с тем, что геттерные насосы лучше откачивают химически активные газы, но непригодны для инертных газов и углеводородов.

44 Агрегаты сверхвысоковакуумные комбинированные магниторазрядные геттерные типа АСВМГ ( Принцип действия агрегата определяется работой сверхвысоковакуумного комбинированного насоса, который представляет собой комбинацию магниторазрядных модулей, испарителя титана и криогенного экрана, охлаждаемого жидким азотом. Скорость по воздуху до 5000 л/с, давление до Торр

корпус, 2 - днище, 3 - анод, 4 - катод, 5 - постоянные магниты, 6 - электродуговой испаритель титана, 7 - защитный экран, 8 - сорбционная панель Насос магниторазрядный диодный испарительный НМДИ-16/40

46 Насос магниторазрядный диодный испарительный НМДИ-16/40 Применяется для получения высокого и сверхвысокого вакуума в устройствах криогенной техники, имитаторах космических условий, в металлургии в процессе очистки металлов, в напылительной технике, в установках термоядерного синтеза и др. Откачка основана на удалении молекул газа в результате взаимодействия основных процессов: ионизации и катодного распыления посредством тлеющего разряда в магнитном поле, возгонки титана с электродугового испарителя, внедрение и замуровывание ионов в катодах, хемосорбции газов пленками напыляемого геттера. Откачивание насоса происходит в результате приложения разности потенциалов 7 кВ между ячеистым анодом и катодами электродного блока, а также за счет распыления титана под действием низковольтного дугового разряда в вакууме, возбуждаемого между электродуговым испарителем и корпусом насоса, служащим анодом дугового испарителя.

47 Наименование параметраНМДИ-16/40 Наибольшая быстрота действия в диапазоне давлений 1,3 х ,6 х Па, л/с: по азоту и воздуху Наибольшее давление запуска, Па 13 Наибольшее рабочее давление, Па 6,6 х Предельное остаточное давление, Па 6,6 х Расход охлаждающей воды, л/ч 1500 Расход жидкого азота, л/ч 11 Диаметр условного прохода входного патрубка, мм 630 Габаритные размеры, мм 1230 х 1020 х 1060 Масса, кг 500 Насос магниторазрядный диодный испарительный НМДИ-16/40

48 Крионасос 1 – криопанель, 2 – экран, 3 – жалюзи, 4 – корпус, 5 – и 6 фланцы, 7 – криоосадок – конденсат. Быстродействие до 4000 л/с, Время регенерации насоса 2- 3 часа.

49 Криогенный насос НВК-200-1,5 Быстрота действия (Air): 2600 л/с

50 Быстрота действия (Air): 2600 л/с Время выхода на рабочий режим 75 мин Потребляемая мощность от сети : 3,5-4,0 к Вт Характеристики криогенного насоса НВК-250-3,2

51 механические вакуумные насосы объемные молекулярные Пластинчато- роторные Жидкостно- кольцевые Спиральные Поршневые физико-химические вакуумные насосы Классификация вакуумных насосов по принципу действия Турбомолекулярные насосы Струйные насосы

52 Сообщения: 1. Фемтосекундное лазерное нано- и микро-структурирование поверхности материалов: механизмы и применения. Ионин А.А.. Кудряшов С.И. (ФИАН) 2. Структурно-фазовые превращения и модификация свойств приповерхностных слоев металлов и сплавов при различных ударно-волновых воздействиях. Перспективы практического использования. Колобов Ю.Р. (ИНХП РАН, БГУ), Лигачев А.Е. (ИОФ РАН), Пуха В.Е. (ИНХП РАН). Научный семинар Г.А. Месяца (ФИАН) 15 сентября в в 312 аудитории