I. Mechanische Pumpen
Die Hauptfunktion der mechanischen Pumpe besteht darin, das notwendige Vorvakuum für den Start der Turbomolekularpumpe bereitzustellen.Zu den häufig verwendeten mechanischen Pumpen gehören hauptsächlich Vortex-Trockenpumpen, Membranpumpen und ölgedichtete mechanische Pumpen.
Membranpumpen haben ein niedriges Saugvermögen und werden aufgrund der geringen Größe im Allgemeinen für kleine Molekularpumpensätze verwendet.
Die ölgedichtete mechanische Pumpe ist die in der Vergangenheit am häufigsten verwendete mechanische Pumpe. Sie zeichnet sich durch ein hohes Saugvermögen und ein gutes Endvakuum aus. Der Nachteil ist die allgemeine Existenz einer Ölrückführung. In Ultrahochvakuumsystemen müssen Systeme im Allgemeinen mit einem Magnetventil ausgestattet sein (zur Verhinderung eines versehentlichen Stromausfalls durch Ölrücklauf) und Molekularsieb (Adsorptionseffekt).
In den letzten Jahren wird immer häufiger die Scroll-Trockenpumpe verwendet. Der Vorteil liegt in der einfachen Handhabung und geht nicht auf Öl zurück, lediglich die Pumpgeschwindigkeit und das Endvakuum sind etwas schlechter als bei ölgedichteten mechanischen Pumpen.
Mechanische Pumpen stellen eine Hauptquelle für Lärm und Vibrationen im Labor dar. Es ist besser, eine geräuscharme Pumpe zu wählen und sie nach Möglichkeit zwischen den Geräten zu platzieren. Letzteres ist jedoch aufgrund von Einschränkungen beim Arbeitsabstand oft nicht einfach zu erreichen.
II.Turbomolekularpumpen
Turbomolekularpumpen basieren auf schnell rotierenden Flügeln (normalerweise etwa 1000 Umdrehungen pro Minute), um einen gerichteten Gasfluss zu erreichen.Das Verhältnis des Auslassdrucks der Pumpe zum Einlassdruck wird als Kompressionsverhältnis bezeichnet.Das Kompressionsverhältnis hängt von der Stufenzahl der Pumpe, der Geschwindigkeit und der Art des Gases ab, das allgemeine Molekulargewicht der Gaskompression ist relativ hoch.Das Endvakuum einer Turbomolekularpumpe wird im Allgemeinen mit 10-9-10-10 mbar angenommen, und in den letzten Jahren wurde das Endvakuum mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Molekularpumpentechnologie weiter verbessert.
Da die Vorteile einer Turbomolekularpumpe nur im molekularen Strömungszustand zum Tragen kommen (einem Strömungszustand, in dem die durchschnittliche freie Reichweite der Gasmoleküle viel größer ist als die maximale Größe des Kanalquerschnitts), wird eine Vorstufen-Vakuumpumpe eingesetzt mit einem Betriebsdruck von 1 bis 10-2 Pa erforderlich.Aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit der Flügel kann die Molekularpumpe durch Fremdkörper, Jitter, Stöße, Resonanzen oder Gasstöße beschädigt oder zerstört werden.Bei Einsteigern ist die häufigste Schadensursache ein Gasschlag durch Bedienungsfehler.Schäden an einer Molekularpumpe können auch durch Resonanz verursacht werden, die von einer mechanischen Pumpe ausgelöst wird.Dieser Zustand ist relativ selten, erfordert jedoch besondere Aufmerksamkeit, da er heimtückischer und nicht leicht zu erkennen ist.
III.Sputter-Ionenpumpe
Das Funktionsprinzip der Sputter-Ionenpumpe besteht darin, die durch die Penning-Entladung erzeugten Ionen zu nutzen, um die Titanplatte der Kathode zu bombardieren, um einen frischen Titanfilm zu bilden, wodurch die aktiven Gase adsorbiert werden und auch eine gewisse Verschüttungswirkung auf die Inertgase ausgeübt wird .Die Vorteile von Sputter-Ionenpumpen sind ein gutes Endvakuum, keine Vibrationen, kein Lärm, keine Umweltverschmutzung, ein ausgereifter und stabiler Prozess, keine Wartung und bei gleicher Pumpgeschwindigkeit (außer bei Inertgasen) ihre Kosten sind viel niedriger als bei Molekularpumpen. Dadurch werden sie besonders häufig in Ultrahochvakuumsystemen eingesetzt.Normalerweise beträgt der normale Betriebszyklus von Sputter-Ionenpumpen mehr als 10 Jahre.
Ionenpumpen müssen im Allgemeinen über 10-7 mbar arbeiten, um ordnungsgemäß zu funktionieren (der Betrieb bei schlechteren Vakuumbedingungen verkürzt ihre Lebensdauer erheblich) und benötigen daher einen Molekularpumpensatz, um ein gutes Vorvakuum bereitzustellen.Es ist üblich, in der Hauptkammer eine Ionenpumpe + TSP und in der Einlasskammer ein kleines Molekularpumpenset zu verwenden.Öffnen Sie beim Backen das angeschlossene Einsatzventil und lassen Sie das kleine Molekularpumpenset für das vordere Vakuum sorgen.
Zu beachten ist, dass Ionenpumpen weniger gut zur Adsorption von Inertgasen geeignet sind und ihr maximales Saugvermögen etwas von dem von Molekularpumpen abweicht, so dass für große Ausgasungsvolumina oder große Mengen an Inertgasen ein Molekularpumpensatz erforderlich ist.Darüber hinaus erzeugt die Ionenpumpe im Betrieb ein elektromagnetisches Feld, das besonders empfindliche Systeme stören kann.
IV.Titan-Sublimationspumpen
Titan-Sublimationspumpen basieren auf der Verdampfung von metallischem Titan, um auf den Kammerwänden einen Titanfilm zur Chemisorption zu bilden.Die Vorteile von Titan-Sublimationspumpen sind einfache Konstruktion, niedrige Kosten, einfache Wartung, keine Strahlung und keine Vibrationsgeräusche.
Titan-Sublimationspumpen bestehen normalerweise aus 3 Titanfilamenten (um ein Abbrennen zu verhindern) und werden in Kombination mit Molekular- oder Ionenpumpen verwendet, um eine hervorragende Wasserstoffentfernung zu gewährleisten.Sie sind die wichtigsten Vakuumpumpen im Bereich 10-9-10-11 mbar und werden in den meisten Ultrahochvakuumkammern eingebaut, in denen hohe Vakuumniveaus erforderlich sind.
Der Nachteil von Titan-Sublimationspumpen ist die Notwendigkeit eines regelmäßigen Sputterns von Titan. Das Vakuum verschlechtert sich während des Sputterns (innerhalb weniger Minuten) um etwa 1-2 Größenordnungen, daher erfordern bestimmte Kammern mit besonderen Anforderungen den Einsatz von NEG.Außerdem sollte bei Titan-empfindlichen Proben/Geräten darauf geachtet werden, den Standort der Titan-Sublimationspumpe zu meiden.
V. Kryopumpen
Kryopumpen basieren hauptsächlich auf der physikalischen Adsorption bei niedriger Temperatur, um ein Vakuum zu erzeugen, mit den Vorteilen einer hohen Pumpgeschwindigkeit, keiner Umweltverschmutzung und eines hohen Endvakuums.Die Hauptfaktoren, die das Saugvermögen von Kryopumpen beeinflussen, sind die Temperatur und die Oberfläche der Pumpe.In großen Molekularstrahlepitaxiesystemen werden aufgrund der hohen Anforderungen an das Endvakuum häufig Kryopumpen eingesetzt.
Die Nachteile von Kryopumpen sind der hohe Verbrauch an flüssigem Stickstoff und die hohen Betriebskosten.Systeme mit Umlaufkühlern können zwar ohne den Verbrauch von flüssigem Stickstoff eingesetzt werden, dies bringt jedoch entsprechende Probleme in Bezug auf Energieverbrauch, Vibrationen und Lärm mit sich.Aus diesem Grund werden Kryopumpen in herkömmlichen Laborgeräten seltener eingesetzt.
VI.Saugpumpen (NEG)
Die Saugmittelpumpe ist eine der in den letzten Jahren am häufigsten verwendeten Vakuumpumpen. Ihr Vorteil ist die vollständige Nutzung der chemischen Adsorption, keine Verdampfung und keine elektromagnetische Verschmutzung. Sie wird häufig in Verbindung mit Molekularpumpen verwendet, um Titansublimationspumpen und Sputtering-Ionen zu ersetzen Bei Pumpen besteht der Nachteil in den hohen Kosten und der begrenzten Anzahl von Regenerationen, die normalerweise in Systemen mit hohen Anforderungen an die Vakuumstabilität oder einer hohen Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern eingesetzt werden.
Da die Saugpumpe darüber hinaus über die Erstaktivierung hinaus keinen weiteren Stromanschluss benötigt, wird sie in großen Systemen auch oft als Hilfspumpe eingesetzt, um die Sauggeschwindigkeit zu erhöhen und das Vakuumniveau zu verbessern, was das System effektiv vereinfachen kann.
Abbildung:Arbeitsdrücke für verschiedene Pumpentypen.Die braunen Pfeile zeigen den maximal zulässigen Betriebsdruckbereich und die fettgedruckten grünen Teile zeigen den üblichen Arbeitsdruckbereich.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 18. November 2022