1 Электрофизические насосы всех типов являются накопительными, то есть откачиваемые газы поглощаются в насосе в виде хемосорбционных слоев, химических соединений и «замурованных» атомов. Физико-химические методы получения вакуума Электрофизические средства откачки Основной механизм связывания химически активных газов – хемосорбция. Химически активная поверхность, поглощающая газы, может быть организована формированием пористой структуры с высокоразвитой поверхностью, однократным или периодическим нанесением пленки поглощающего металла, непрерывным возобновлением поверхности (испарительный насос).

2 Поглощение активных газов поверхностью металлов называется хемосорбционной откачкой. Показателем активности газа является теплота адсорбции на данном металле. Принцип хемосорбционной откачки Скорость хемосорбции твердым металлом для единичной площади равна: Скорость откачки испарительного насоса площадью F будет: Схема испарительного насоса: 1–фланец, 2- конденсирующие экраны, 3- защитный экран, 4- корпус, 5- испаритель

3 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 (Ti). Может использоваться цирконий (Zr), тантал (Ta), молибден (Mo), вольфрам (W).

4 Инертные газы при нормальной температуре в отличие от химически активных газов внедряются в поверхность твердого тела только в ионизированном состоянии при определенной энергии ионов. 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). 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. «Замуровывание» атомов играет существенную роль при откачке инертных газов, хотя и не влияет на общую быстроту откачки насоса.

5 Принцип ионно-сорбционной откачки При ионно-сорбционной откачке используют два способа поглощения газа: - внедрение ионов в объем твердого тела под действием электрического поля; - химическое взаимодействие откачиваемых газов с тонкими пленками активных металлов. Схема ионно-сорбционного насоса с горячим катодом: 1 термокатод; 2 анод (сетка); 3 корпус насоса; 4 охлаждение; 5 проволока; 6 катушка с титановой проволокой

6 Схема магниторазрядного насоса: 1 - катоды; 2 анод; 3 постоянный магнит: 4 балластное сопротивление. Стрелкой показано направление магнитного поля Магниторазрядный насос

7 Механизм откачки активных газов: 1-катоды; 2- анод; 3-ион газа; 4 – выбитый атом титана; 5- сорбированная молекула газа Механизмы откачки газов магниторазрядным насосом Механизм откачки инертных газов: 1-ион газа; 2 – выбитый атом титана

8

9 Методы измерения вакуума Понятие «давление газа» для вакуумной техники утратило свой физический смысл, так как почти нет таких технологических процессов в вакууме, которые определялись бы давлением газа, как усилие на единицу поверхности. Так уже при давлении в сосуде Па сила, с которой молекулы воздействуют на 1 см 2 стенки сосуда, пренебрежимо мала. Наиболее важной характеристикой газовой среды в вакуумной технике является плотность или молекулярная концентрация газа. Эта величина определяет теплоперенос, сорбционно-десорбционные процессы, воздействие газа на элементы электронных приборов и другие явления. Однако традиционно состояние газа оценивается давлением. Между давлением газа p и молекулярной концентрацией п существует связь:

10 По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные. Абсолютные вакуумметры измеряют непосредственно давление газа, т.е. силу, действующую на единицу поверхности измерительного элемента. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа. К вакуумметрам прямого действия относятся жидкостные, компрессионные и деформационные. Эти приборы перекрывают диапазон от 10 5 до Па. Относительные вакуумметры измеряют не само давление, а используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке. Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе. Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного называются вакуумметрами. В условиях высокого вакуума показания практически всех приборов, применяемых для измерения давлений ниже Па, пропорциональны не давлению, а концентрации молекул газа.

11 По принципу действия вакуумметры можно свести в следующие классы: жидкостные вакуумметры. Измеряют разность давлений на поверхность жидкости в U-образной трубке. Диапазон измеряемых давлений Па. В настоящее время жидкостные вакуумметры практически не используются. где p a – атмосферное давление, Па; p ж – плотность рабочей жидкости, кг/м 3 ; g – ускорение свободного падения, м/с 2 ; h – разность уровней жидкости, м.

12 компрессионные вакуумметры -разновидность жидкостных манометров, в которых, с целью увеличения измеряемого диапазона, рабочей жидкостью вакуумметра предварительно создается сжатие газа. Несмотря на то, что приборы неудобны в повседневной работе, они иногда находят своё применение как образцовые (калибровочные) вакуумметры. Диапазон измеряемых давлений – Па. деформационные вакуумметры, в которых измеряемое давление определяется по деформации упругого чувствительного элемента Диапазон измеряемых давлений – Па.

13 Тепловые преобразователи Принцип действия тепловых преобразователей основан на зависимости теплопередачи через разреженный газ от давления. Схема термопарного вакуумметра Измерительное уравнение теплового преобразователя можно записать так: где K Т - коэффициент теплопроводности, Т Н и Т б – температуры нити и баллона, Iн ток, проходящий через нить; R сопротивление нити; E И, Е М - потери теплоты за счет излучения нити и теплопроводности материала нити. Данный вид вакуумметров позволяет измерять давления Па.

Вакуумные датчики Пирани Вакуумные датчики Пирани измеряют давление в диапазоне от атмосферного до Па. Они работают по принципу передачи тепла от катода, который нагревается проходящим через него электрическим током, к окружающему газу. 14

15 Электронные ионизационные преобразователи. Принцип действия электронных преобразователей основан на ионизации газа электронами и измерении ионного тока, по величине которого судят о давлении. Измерительное уравнение ионизационного преобразователя можно записать так: где К – чувствительность вакуумметра; I i – ионный ток; I e – электронный ток. Ионизационный преобразователь измеряет в диапазоне давлений от 1 Па до 5* Па.

Вакуумметр предназначен для измерения давления до 5x10 -7 Па. Широкодиапазонный вакуумметр VSM72MV, включающий в себя два датчика (низковакуумный датчик Пирани и высоковакуумный датчик с холодным катодом) обеспечивает удобное, точное и стабильное измерение вакуума в диапазоне от атмосферы до сверхглубокого вакуума. 16 Вакуумметр абсолютного давления серии Smartline TM

17 Магнитные электроразрядные преобразователи Схема магниторазрядного вакуумметра: 1- катоды; 2 – полый анод ( в виде петли, рамки, цилиндра). Измерительное уравнение можно записать так: где К – чувствительность вакуумметра; I i – ионный ток; I e – электронный ток. Данный вид вакуумметров позволяет измерять давления до Па.

Магнитные электроразрядные вакуумметры MP7ER и MP7FR Двойные инверсно-магнетронные активные датчики с холодным катодом позволяют измерять широкий диапазон вакуума. Датчик 7Е позволяет делать измерения в высоком вакууме 1 – Па, а датчик 7F в сверхвысоком вакууме – 1 – Па. 18