Tento článek vás seznámí s několika vývěvami používanými v oblasti ultra vysokého vakua a extrémně vysokého vakua
Když tlak překročí 10-5Pa, vstupuje do oblasti aplikací s ultravysokým vakuem. V tomto okamžiku se funkce čerpání většiny vývěv zastavila nebo je rychlost čerpání velmi nízká. Jaké vakuové pumpy se v současné době používají k dosažení ultra vysokého vakua? Pojďme se společně krátce podívat.
Hlavní funkcí mechanického čerpadla je zajistit nezbytný předstupňový podtlak pro spuštění turbomolekulárního čerpadla. Mezi běžně používaná mechanická čerpadla patří předevšímvírová suchá čerpadla, membránová čerpadla aolejová mechanická čerpadla.
Membránová čerpadla mají nižší rychlost čerpání, ale menší objem a obecně se používají pro skupiny malých molekulárních čerpadel.
Mechanické čerpadlo s olejovým těsněním je v minulosti nejběžněji používané mechanické čerpadlo, které se vyznačuje vysokou rychlostí čerpání a dobrým konečným vakuem. Nevýhodou je, že je zde běžná situace vracení oleje. V systémech s ultravysokým vakuem jsou pro použití obecně vyžadovány elektromagnetické ventily (používané k zabránění náhodnému výpadku proudu způsobujícímu návrat oleje) a molekulární síta (adsorpční funkce).
V posledních letech se hojně používají vířivá suchá čerpadla, která mají tu výhodu, že se poměrně jednoduše používají a nevrací olej. Jejich rychlost čerpání a maximální vakuum jsou však mírně nižší než u olejově utěsněných mechanických čerpadel.
Mechanická čerpadla jsou důležitým zdrojem laboratorního hluku a vibrací. Volba nízkohlučných čerpadel a jejich umístění v místnostech s vybavením je lepší přístup, ale kvůli omezení pracovní vzdálenosti není obvykle snadné dosáhnout toho druhého.
Turbomolekulární vývěvy spoléhají na vysokorychlostní rotující lopatky (obvykle kolem 1000 otáček za minutu) k dosažení směrového proudění plynu a poměr výfukového tlaku vývěvy k tlaku sání se nazývá kompresní poměr. Kompresní poměr souvisí s počtem stupňů, rychlostí a typem plynu v čerpadle. Obecně platí, že plyny s vyšší molekulovou hmotností mají vyšší kompresní poměry. Kompresní poměr pro dusík je 108-109; Vodík se pohybuje od 102 do 104. Konečné vakuum turbomolekulární vývěvy se obecně považuje za mezi 10-9-10-10 mbar. V posledních letech s neustálým pokrokem v technologii molekulárních čerpadel se maximální vakuum dále zlepšilo.
Vzhledem k tomu, že výhody turbomolekulárních čerpadel se mohou projevit pouze ve stavu molekulárního toku (stav toku, kdy je průměrná volná dráha molekul plynu mnohem větší než maximální velikost sekce potrubí), je nutné, aby byla vybavena s přední vývěvou s pracovním tlakem 1 až 10-2Pa. V důsledku vysokorychlostní rotace lopatek může dojít k poškození nebo zničení molekulární pumpy při setkání s cizími předměty, otřesy, nárazem, rezonancí nebo plynovým šokem. U začátečníků je nejčastější příčinou úrazu plynový šok způsobený provozními chybami. Rezonance způsobená mechanickými pumpami může také vést k poškození molekulárních pump. Přestože je tato situace poměrně vzácná, je kvůli jejímu utajení obtížně odhalitelná a vyžaduje zvláštní pozornost.
Výhody rozprašovací iontové pumpy jsou dobré konečné vakuum, žádné vibrace, žádný hluk, žádné znečištění, vyzrálý a stabilní proces, žádná údržba. Při stejné rychlosti čerpání (s výjimkou inertního plynu) je jeho cena mnohem nižší než u molekulárního čerpadla, takže je široce používána v systémech s ultravysokým vakuem. Normální provozní cyklus rozprašovacího iontového čerpadla je obvykle více než 10 let.
Iontové vývěvy obecně vyžadují ke správnému fungování tlak 10-7 mbar nebo vyšší (práce za horších podmínek vakua může výrazně zkrátit jejich životnost), proto je zapotřebí sestava molekulární vývěvy, která jim poskytne lepší vakuum před fází. Běžnou praxí je použití iontové pumpy + TSP v hlavní komoře a vybavení skupiny malých molekulárních pump ve vstřikovací komoře. Během pečení otevřete připojený zátkový ventil a skupina malých molekulárních čerpadel zajistí vakuum předního stupně. Po dokončení pečení uzavřete uzavírací ventil a použijte iontovou pumpu ve spojení s TSP k dosažení ultra vysokého vakua
Je třeba poznamenat, že iontová čerpadla mají špatnou adsorpční kapacitu pro inertní plyny a existuje také určitý rozdíl v maximální rychlosti čerpání oproti molekulárním čerpadlům. Proto jsou pro situace s velkým uvolňováním plynu nebo velkým množstvím inertních plynů potřeba soupravy molekulárních pump. Kromě toho iontová pumpa generuje během provozu elektromagnetická pole, která mohou rušit zvláště citlivé systémy.
Princip činnosti titanové sublimační pumpy spočívá v odpařování kovového titanu za vzniku titanového filmu na stěně komory pro chemickou adsorpci. Výhody titanové sublimační pumpy jsou jednoduchá konstrukce, nízká cena, snadná údržba, žádné záření a žádný vibrační hluk.
Titanová sublimační pumpa se obvykle skládá ze tří titanových vláken (pro zabránění vyhoření), které lze použít v kombinaci s molekulární pumpou nebo iontovou pumpou pro dosažení dobrého efektu odstraňování vodíku. Je to nejdůležitější vakuová pumpa v rozsahu 10-9-11-11 mbar a je vybavena ve většině komor s ultravysokým vakuem, které vyžadují vysoký stupeň vakua.
Nevýhodou titanové sublimační pumpy je, že vyžaduje pravidelné naprašování titanu a během periody rozprašování (během několika minut) se vakuum sníží o řádově 1-2. Proto některé komory se specifickými požadavky vyžadují použití NEG. Navíc u vzorků/zařízení citlivých na titan je třeba věnovat pozornost tomu, aby se zabránilo umístění titanové sublimační pumpy.
Nízkoteplotní čerpadlo
Nízkoteplotní čerpadla spoléhají hlavně na nízkoteplotní fyzikální adsorpci k získání vakua s výhodami vysoké rychlosti čerpání, žádného znečištění a vysokého konečného vakua. Hlavními faktory ovlivňujícími rychlost čerpání kryogenního čerpadla jsou teplota a povrchová plocha čerpadla. V rozsáhlých systémech epitaxe s molekulárním paprskem se vzhledem k vysokým požadavkům na extrémní vakuum široce používají kryogenní pumpy.
Nevýhodou kryogenních čerpadel je, že spotřebovávají velké množství kapalného dusíku a mají vysoké provozní náklady. Systém s cirkulační chladicí jednotkou nemusí spotřebovávat kapalný dusík, ale může přinášet odpovídající problémy, jako je spotřeba energie, vibrace a hluk. Proto se kryogenní čerpadla v běžném laboratorním vybavení používají méně často
Absorpční pumpa je typ vakuové pumpy, která je v posledních letech široce používána. Jeho výhodou je, že zcela využívá chemickou adsorpci, neprodukuje vypařování a elektromagnetické znečištění a často se používá ve spojení s molekulárními čerpadly jako náhrada titanových sublimačních čerpadel a rozprašovacích iontových čerpadel. Nevýhodou je vyšší cena a omezená doba regenerace. Běžně se používá v systémech, které vyžadují vysokou stabilitu vakua nebo jsou vysoce citlivé na elektromagnetická pole.
Kromě toho, vzhledem k tomu, že sací čerpadlo nevyžaduje kromě počáteční aktivace další napájení, je často používáno jako pomocné čerpadlo pro zvýšení rychlosti čerpání a stupně vakua ve velkých systémech, což může systém účinně zjednodušit.
