I. Механические насосы
Основная функция механического насоса – обеспечение необходимого предварительного вакуума для запуска турбомолекулярного насоса.Обычно используемые механические насосы включают в себя в основном вихревые сухие насосы, мембранные насосы и механические насосы с масляным уплотнением.
Мембранные насосы имеют низкую скорость откачки и из-за небольшого размера обычно используются для небольших молекулярных насосов.
Механический насос с масляным уплотнением является наиболее часто используемым механическим насосом в прошлом, характеризующимся большой скоростью откачки и хорошим предельным вакуумом, недостатком является обычное наличие возврата масла, в системах сверхвысокого вакуума обычно необходимо оборудовать электромагнитный клапан. (для предотвращения случайного отключения электроэнергии, вызванного возвратом масла) и молекулярное сито (эффект адсорбции).
В последние годы все чаще используется спиральный сухой насос. Преимущество заключается в простоте использования и отсутствии возврата в масло, просто скорость откачки и предельный вакуум немного хуже, чем у механических насосов с масляным уплотнением.
Механические насосы являются основным источником шума и вибрации в лаборатории, поэтому лучше выбрать насос с низким уровнем шума и разместить его между оборудованием, где это возможно, но последнего зачастую нелегко добиться из-за ограничений рабочего расстояния.
II.Турбомолекулярные насосы
Турбомолекулярные насосы используют высокоскоростные вращающиеся лопасти (обычно около 1000 оборотов в минуту) для достижения направленного потока газа.Отношение давления выхлопа насоса к давлению на входе называется степенью сжатия.Степень сжатия зависит от количества ступеней насоса, скорости и типа газа, общая молекулярная масса сжатия газа относительно высока.Предельный вакуум турбомолекулярного насоса обычно считается равным 10-9-10-10 мбар, а в последние годы, благодаря постоянному развитию технологии молекулярных насосов, предельный вакуум был еще больше улучшен.
Поскольку преимущества турбомолекулярного насоса реализуются только в состоянии молекулярного потока (состоянии потока, в котором средний свободный пробег молекул газа намного превышает максимальный размер поперечного сечения воздуховода), предварительный вакуумный насос при рабочем давлении от 1 до 10-2 Па.Из-за высокой скорости вращения лопастей молекулярный насос может быть поврежден или разрушен из-за посторонних предметов, дрожания, удара, резонанса или газового удара.У новичков наиболее распространенной причиной поломки является газовый удар, вызванный ошибками в эксплуатации.Повреждение молекулярного насоса также может быть вызвано резонансом, вызванным механическим насосом.Это заболевание встречается относительно редко, но требует особого внимания, поскольку оно более коварно и его нелегко обнаружить.
III.Распылительный ионный насос
Принцип работы распылительного ионного насоса заключается в использовании ионов, генерируемых разрядом Пеннинга, для бомбардировки титановой пластины катода с образованием свежей титановой пленки, тем самым адсорбируя активные газы и оказывая также определенное захоронение инертных газов. .Преимуществами ионных насосов для распыления являются хороший предельный вакуум, отсутствие вибрации, отсутствие шума, отсутствие загрязнения, отлаженный и стабильный процесс, отсутствие обслуживания и при той же скорости откачки (за исключением инертных газов), их стоимость намного ниже, чем у молекулярных насосов, что делает их чрезвычайно широко используемыми в системах сверхвысокого вакуума.Обычно нормальный рабочий цикл ионных насосов для распыления составляет более 10 лет.
Для правильной работы ионные насосы обычно должны иметь давление выше 10-7 мбар (работа при худшем вакууме значительно сокращает их срок службы), и поэтому для обеспечения хорошего предварительного вакуума требуется комплект молекулярных насосов.Обычной практикой является использование ионного насоса + TSP в основной камере и небольшого молекулярного насоса во входной камере.Во время выпечки откройте подключенный вставной клапан и позвольте небольшому молекулярному насосу создать передний вакуум.
Следует отметить, что ионные насосы менее способны к адсорбции инертных газов и их максимальная скорость откачки несколько отличается от скорости молекулярных насосов, поэтому для больших объемов дегазации или больших количеств инертных газов требуется комплект молекулярных насосов.Кроме того, ионный насос во время работы генерирует электромагнитное поле, которое может мешать особо чувствительным системам.
IV.Титановые сублимационные насосы
Титановые сублимационные насосы работают за счет испарения металлического титана с образованием титановой пленки на стенках камеры для хемосорбции.Преимуществами титановых сублимационных насосов являются простая конструкция, низкая стоимость, простота обслуживания, отсутствие излучения и вибрационного шума.
Титановые сублимационные насосы обычно состоят из трех титановых нитей (для предотвращения выгорания) и используются в сочетании с молекулярными или ионными насосами для обеспечения превосходного удаления водорода.Они являются наиболее важными вакуумными насосами в диапазоне 10-9-10-11 мбар и устанавливаются в большинстве камер сверхвысокого вакуума, где требуются высокие уровни вакуума.
Недостатком титановых сублимационных насосов является необходимость регулярного распыления титана, при распылении (в течение нескольких минут) вакуум ухудшается примерно на 1-2 порядка, поэтому некоторые камеры со специфическими потребностями требуют использования НЭГ.Кроме того, в случае чувствительных к титану образцов/устройств следует избегать расположения титанового сублимационного насоса.
V. Криогенные насосы
Криогенные насосы в основном полагаются на низкотемпературную физическую адсорбцию для получения вакуума с преимуществами высокой скорости откачки, отсутствия загрязнения и высокого предельного вакуума.Основными факторами, влияющими на скорость откачки криогенных насосов, являются температура и площадь поверхности насоса.В системах молекулярно-лучевой эпитаксии большого размера широко используются криогенные насосы из-за высоких требований к предельному вакууму.
Недостатками криогенных насосов являются большой расход жидкого азота и высокие эксплуатационные расходы.Системы с рециркуляционными чиллерами могут использоваться без потребления жидкого азота, но это влечет за собой соответствующие проблемы энергопотребления, вибрации и шума.По этой причине криогенные насосы реже используются в обычном лабораторном оборудовании.
VI.Аспирационные насосы (NEG)
Насос всасывающего агента является одним из наиболее часто используемых вакуумных насосов в последние годы. Его преимуществом является полное использование химической адсорбции, отсутствие парового покрытия и электромагнитного загрязнения, часто используемое в сочетании с молекулярными насосами вместо титановых сублимационных насосов и ионного распыления. насосов, недостатком является высокая стоимость и ограниченное количество регенераций, обычно используемых в системах с высокими требованиями к стабильности вакуума или высокой чувствительностью к электромагнитным полям.
Кроме того, поскольку аспирационный насос не требует дополнительного подключения к источнику питания, кроме первоначальной активации, он также часто используется в больших системах в качестве вспомогательного насоса для увеличения скорости откачки и улучшения уровня вакуума, что может эффективно упростить систему.
Рисунок ：Рабочее давление для различных типов насосов.Коричневые стрелки показывают максимально допустимый диапазон рабочего давления, а выделенные зеленым цветом части показывают общий диапазон рабочего давления.
Время публикации: 18 ноября 2022 г.