Насосы для систем сверхвысокого вакуума играют важную роль в многих отраслях науки и промышленности, включая физику, электронику, микроэлектронику, атомную энергетику и многие другие. В статье рассмотрим различные типы насосов для систем сверхвысокого вакуума, их принципы работы, а также достоинства и недостатки каждого типа.
Области применения насосов для сверхвысокого вакуума
Насосы для сверхвысокого вакуума используются в различных областях:
- Научные исследования: применяются в физике, материаловедении, биохимии, технологиях и многих других областях, где требуется создание сверхвысокого вакуума.
- Производство электронных и оптических компонентов: при производстве электронных и оптических компонентов требуется очень чистый вакуум, который может быть обеспечен только высоковакуумными насосами.
- Обработка материалов: в производстве тонких пленок и наноструктур используются высоковакуумные насосы для создания чистого вакуума.
- Микроэлектроника: в производстве микроэлектроники используются высоковакуумные насосы для создания очень чистого вакуума, который не содержит частиц и газов, которые могут повлиять на качество производимых изделий.
- Космические исследования: в космических исследованиях используются сверхвысокий вакуум, которые работают в условиях отсутствия атмосферы.
Национальные лаборатории, крупные международные исследовательские университеты, оборонная, аэрокосмическая промышленность, аналитическое приборостроение и другие отрасли используют широкий спектр вакуумного оборудования для достижения требуемых уровней вакуума. Многие из этих учреждений полагаются на высокоспециализированные вакуумные насосы, оборудование и системы Leybold.
❗UHV - это режим вакуума, характеризующийся давлением ниже 10-9 мбар (или 10-7 Па).
Во многих методах анализа поверхности сверхвысокий вакуум необходим для уменьшения загрязнения поверхности. Примеры включают рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), электронную оже-спектроскопию (AES), масс-спектрометрию вторичных ионов (SIMS) и полевую электронную микроскопию (FEM).
Технологии роста и изготовления тонких пленок с жесткими требованиями к чистоте, такие как молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) и атомно-слоевое осаждение (ALD), теперь также могут быть выполнены в сверхвысоком вакууме.
В исследовательских приложениях, таких как ускорители частиц и детекторы гравитационных волн, сверхвысокий вакуум в первую очередь помогает уменьшить взаимодействие пучка с газом и ограничить нежелательные искажения, вызванные внешней средой. Такие уровни вакуума требуют специальных материалов и принципов откачки.
Диффузионные насосы
Диффузионные насосы – это насосы, используемые для создания и поддержания крайне высокого вакуума в системах для исследований, производства полупроводниковых приборов и других приложений.
Основным принципом работы диффузионного насоса является диффузия молекул газов через поток паров масла, находящегося внутри насоса. Молекулы газов испаряют масло и перемещаются вверх по насосу, где они попадают в холодную зону и конденсируются на поверхности охлаждаемых радиаторов. Таким образом, газы удаляются из системы, позволяя достичь высокого вакуума.
Диффузионные насосы используют различные типы масел и различные конструкции, чтобы достичь наивысшей эффективности и минимальной контаминации. Они могут работать как самостоятельно, так и в сочетании с другими типами насосов, такими как турбомолекулярные насосы или ионные насосы, для достижения еще большего вакуума.
Трех- или четырехступенчатый насос в сочетании с высокоэффективной ловушкой для охлаждения жидким азотом может выдерживать давление от 10-10 мм рт. ст. до 10-11 мм рт. ст. Чтобы предотвратить обратный поток масла, ловушка должна позволить молекуле масла столкнуться более одного раза с поверхностью, которая продолжает охлаждаться до температуры жидкого азота.
Диффузионные насосы одинаково эффективны при использовании любого газа, и производители предлагают насосы, которые могут работать на очень высоких скоростях, что делает их универсальными насосами для систем любого размера.
❗❗❗Рекомендация. Диффузионные насосы не рекомендуется использовать в системах сверхвысокого вакуума, так как существует ряд факторов, которые могут повлиять на производительность таких насосов, трудности, возникающие при дегазации насоса и ловушки, а также вероятность загрязнения масла. Исключение составляют случаи, когда требуется низкая капитальная стоимость (учитывая более высокие эксплуатационные расходы) или очень высокая скорость насоса.
Криогенные насосы
Криогенный насос предлагает неизбирательный, уникальный метод очистки для откачки до сверхвысокого вакуума. Очень быстрая работа легко достигается, а простота оборудования обеспечивает надежную эксплуатацию. Откачка гелия, водорода и неона очень ограничена по сравнению со всеми другими газами, но это редко является проблемой в системах сверхвысокого вакуума. Основным недостатком этих насосов является то, что откачиваемый газ быстро истощается, в течение 10 минут после отключения электроэнергии, поэтому быстродействующий, герметичный, термообрабатываемый клапан необходим для изоляции системы в такой аварийной ситуации и для использования во время плановой регенерации насоса.
Ограничения термообработки, упомянутые ранее, также применимы к криогенным насосам, но проблема намного сложнее, чем в случае с диффузионными насосами. Фактически, большинство компонентов криогенных насосов работают при низких температурах и автоматически обеспечивают пониженную скорость дегазации при запуске насоса.
Применимы те же соображения, поскольку загрязнение не допускается в процедуре предварительной дегазации ни криогенного насоса, ни вакуумной системы.
❗❗❗Рекомендация. Этот насос ценен, когда требуется очень высокая скорость. Основными проблемами с этим типом насоса являются ограниченная температура термообработки и немедленный выброс ранее выпущенных газов в случае отключения питания. Крионасосы могут выпустить лишь небольшое количество гелия перед регенерацией и не должны использоваться без критического запаса этого газа.
Турбомолекулярные насосы
Турбомолекулярные насосы (ТМН) – это высоковакуумные насосные устройства, основанные на использовании молекулярных потоков газа и обеспечивающие низкие давления до 10^-9 торр.
Принцип работы ТМН основан на использовании молекулярных ловушек, которые улавливают молекулы газа и направляют их в специально созданный канал. В этом канале газ перемещается под влиянием скорости потока и кинетической энергии молекул.
ТМН состоит из двух основных частей: роторного блока и статорной части. Роторный блок содержит турбины, вызывающие поток газа, а статорная часть содержит молекулярные ловушки.
Предпочтительным газом для работы ТМН является азот, хотя они также могут использоваться для откачки других газов, таких как водород, гелий и аргон.
ТМН используются в широком спектре промышленных и научных приложений, включая физику плазмы, нанотехнологии, производство полупроводниковых материалов, вакуумное покрытие и многие другие.
❗❗❗Рекомендация. Современные насосы ограничены максимальной скоростью откачки в 10 000 л/с, но это не является проблемой в большинстве применений сверхвысокого вакуума. Для общих применений сверхвысокого вакуума турбомолекулярный насос, вероятно, является наилучшим выбором насоса. Повышенная надежность системы подшипников, доступность насосов с магнитными подшипниками и сочетание с турбомолекулярным насосом высокого вакуума являются важными факторами для рекомендации этого насоса.
