Работа с высоким и сверхвысоким вакуумом

Для уточнения, диапазон давления UHV условий определяется в диапазоне от 10^-7до 10^-12мбар, в то время как HV условия определяются в диапазоне от 10^-3до 10^-7мбар. Некоторые из основных областей применения HV включают металлургические процессы, ядерную физику, космическое моделирование и аналитические приборы. С другой стороны, UHV используются для анализа поверхности, в физике высоких энергий и молекулярно-лучевой эпитаксии. 

Мы обсудим три основных момента, которые необходимо учитывать при работе в условиях HV или UHV.

1. Проектирование вакуумных систем, материалы и поверхности

Для всех вакуумных систем установлены стандарты, правила и протоколы, которые определяют и регулируют вопросы, такие как получение подобных уровней вакуума, установка насоса, гарантии, методы измерения и обнаружения утечек, должны быть тщательно изучены. 

Кроме того, необходимо оценить конструкцию, используемые материалы и состояние вакуумной системы.

Для повышения ее эффективности следует помнить о ряде факторов: 

- минимизация внутренней площади поверхности камеры;

- сварные швы должны быть только изнутри камеры;

- при изготовлении необходимо использование материалов с низкой скоростью десорбции и газообразования;

- требуется подходящая обработка материалов (например, электрополировка);

- внутренние или объемные зазоры должны отсутствовать (например, глухие резьбовые отверстия);

- по возможности уменьшенить количество уплотнений, проходных отверстий и т.д;

- желательно применение металлических уплотнений.

2. Управление условиями труда и чистотой окружающей среды

Одной из основных задач при создании и поддержании чистоты, высокого и сверхвысокого вакуума является управление процессом газообразования. Отработанным называется газ, который был растворен, собран, адсорбирован или поглощен в некотором материале.

Это явление возникает, когда материалы, которые обычно не считаются абсорбирующими, выделяют достаточно молекул, чтобы вмешиваться в промышленные или научные вакуумные процессы. Влажность, герметики, смазки и клеи являются наиболее распространенными источниками, но даже металлы и стекла могут выделять газы из трещин или загрязнений. Очистка поверхностей или нагрев отдельных компонентов или всего узла (так называемый процесс отжига) может привести к удалению летучих веществ. 

Для достижения сверхвысокого уровня вакуума общая газовая нагрузка должна быть как можно ниже. Таким образом, любое выделение газов или дегазация материалов должно быть, как можно более низким в условиях HV/UHV. Кроме того, эффективная площадь поверхности должна быть сведена к минимуму, чтобы уменьшить воздействие газовыделения, так как чем больше площадь поверхности, тем больше газовыделение и, следовательно, чем выше давление в системе.

3. Выбор правильного насосного оборудования

Для эффективного и действенного достижения   высокого или сверхвысокого вакуума необходим предварительный насос, который обеспечивает работу высоковакуумного насоса. Конечно, в то время как форвакуумные насосы снижают давление до уровня, при котором HV и UHV насосы могут безопасно включиться в работу, сопряжение различных типов вакуумных насосов для оптимальной производительности не всегда является простым делом.  

Каждый конкретный случай использования и системные требования должны рассматриваться как уникальные. Для выбора наиболее эффективной комбинации насосов необходимо провести тщательную оценку критических факторов и воздействия. Выбор насосов зависит от нескольких факторов, включая шум, вибрацию, стоимость (первоначальную и текущую), устойчивость к загрязнению, занимаемую площадь, графики технического обслуживания и устойчивость к ударам. Но даже вооружившись этой информацией, можно сказать, что единого решения не существует, так как каждый тип насоса имеет свои преимущества и недостатки.  

Что касается форвакуумных насосов, существует несколько вариантов выбора сухих насосов: мембранные насосы, спиральные, Рутс и винтовые насосы. Когда речь заходит о выборе главного - высоковакуумного насоса, способного обеспечить условия высокого и сверхвысокого вакуума при большой скорости откачки, необходимо выбирать между диффузионными, криогенными, ионными насосами, титановыми сублимационными насосами, геттерными и турбомолекулярными насосами. Эти откачные средства может создать вакуум либо путем быстрой откачки молекул газа, либо путем их улавливания или связывания. 

Определение типов насосов (преимущества и недостатки)

Каждый из этих насосов имеет свои сильные и слабые стороны. ТМН являются насосами кинетического типа и просты в эксплуатации. Они не требуют обслуживания, не содержат углеводородов, не требуют регенерации и работают на высоких скоростях перекачки в диапазоне HV и UHV. Тем не менее, они также имеют такие недостатки, как подвижные части, которые могут создавать (хоть и минимальные) вибрации. Другие проблемы включают снижение скорости откачки легких газов, чувствительность к механическим воздействиям и загрязнению твердыми частицами.

Следующей категорией насосов является улавливающий тип, такой как ионно-геттерные насосы, но у них тоже есть свои преимущества и недостатки. Например, они лучше, чем турбо-молекулярные, когда речь идет о вибрации, поскольку они не имеют движущихся частей и практически не требуют технического обслуживания. Кроме того, они изготовлены из материалов с радиационной стойкостью выше 1e8 Gray, и, сняв магниты, их можно прогревать до температуры до 450°C, что является необходимым для систем высокого вакуума. 

Основными недостатками ионно-геттерных насосов являются их низкая производительность при перекачке инертных газов и снижение скорости перекачки в системах HV и UHV. Кроме того, на практическом уровне, они нуждаются в высоком напряжении и обладают большим весом. 

Подводя итог, можно сказать, что три основных принципа работы в условиях высокого и сверхвысокого вакуума - это создание эффективной вакуумной системы, регулярная проверка рабочих условий и чистоты и выбор подходящего вакуумного насоса для вашего применения.