Čerpadlá bežne používané v systémoch s ultravysokým vákuom

I. Mechanické čerpadlá
Hlavnou funkciou mechanického čerpadla je poskytnúť potrebné predstupňové vákuum pre spustenie turbomolekulárneho čerpadla.Bežne používané mechanické čerpadlá zahŕňajú najmä vírivé suché čerpadlá, membránové čerpadlá a mechanické čerpadlá s olejovým uzáverom.
Membránové čerpadlá majú nízku rýchlosť čerpania a vo všeobecnosti sa používajú pre malé súpravy molekulárnych čerpadiel kvôli malej veľkosti.
Mechanické čerpadlo s olejovým tesnením je v minulosti najpoužívanejším mechanickým čerpadlom, ktoré sa vyznačuje veľkou rýchlosťou čerpania a dobrým konečným vákuom, nevýhodou je všeobecná existencia spätného toku oleja, v systémoch s ultravysokým vákuom je vo všeobecnosti potrebné vybaviť solenoidovým ventilom (na zabránenie náhodného výpadku prúdu spôsobeného návratom oleja) a molekulové sito (adsorpčný efekt).
V posledných rokoch sa viac používa špirálové suché čerpadlo. Výhodou je jednoduché použitie a nevracia sa späť do oleja, akurát rýchlosť čerpania a konečné vákuum sú o niečo horšie ako u olejom uzavretých mechanických čerpadiel.
Mechanické čerpadlá sú hlavným zdrojom hluku a vibrácií v laboratóriu a je lepšie zvoliť čerpadlo s nízkou hlučnosťou a umiestniť ho medzi zariadenia tam, kde je to možné, ale často to nie je ľahké dosiahnuť kvôli obmedzeniam pracovnej vzdialenosti.
II.Turbomolekulárne čerpadlá
Turbomolekulárne čerpadlá sa spoliehajú na vysokorýchlostné rotujúce lopatky (zvyčajne okolo 1000 otáčok za minútu), aby dosiahli smerový tok plynu.Pomer výfukového tlaku čerpadla k tlaku na vstupe sa nazýva kompresný pomer.Kompresný pomer súvisí s počtom stupňov čerpadla, rýchlosťou a typom plynu, všeobecná molekulová hmotnosť kompresie plynu je relatívne vysoká.Konečné vákuum turbomolekulárnej pumpy sa všeobecne považuje za 10-9-10-10 mbar a v posledných rokoch, s neustálym pokrokom technológie molekulárnej pumpy, sa konečné vákuum ďalej zlepšuje.
Keďže výhody turbomolekulárneho čerpadla sa realizujú iba v stave molekulárneho toku (stav toku, v ktorom je priemerný voľný rozsah molekúl plynu oveľa väčší ako maximálna veľkosť prierezu potrubia), predstupňová vákuová pumpa s prevádzkovým tlakom 1 až 10-2 Pa.Kvôli vysokej rýchlosti otáčania lopatiek môže byť molekulárna pumpa poškodená alebo zničená cudzími predmetmi, chvením, nárazom, rezonanciou alebo plynovým šokom.Pre začiatočníkov je najčastejšou príčinou poškodenia plynový šok spôsobený chybami obsluhy.Poškodenie molekulárnej pumpy môže byť spôsobené aj rezonanciou spúšťanou mechanickou pumpou.Tento stav je pomerne zriedkavý, ale vyžaduje si osobitnú pozornosť, pretože je zákernejší a nie je ľahké ho odhaliť.

III.Naprašovacia iónová pumpa
Princíp činnosti rozprašovacej iónovej pumpy spočíva v použití iónov generovaných Penningovým výbojom na bombardovanie titánovej platne katódy na vytvorenie čerstvého titánového filmu, čím sa adsorbujú aktívne plyny a má tiež určitý vplyv na pochovávanie inertných plynov. .Výhody naprašovacích iónových čerpadiel sú dobré konečné vákuum, žiadne vibrácie, žiadny hluk, žiadne znečistenie, zrelý a stabilný proces, žiadna údržba a pri rovnakej rýchlosti čerpania (okrem inertných plynov), ich cena je oveľa nižšia ako u molekulárnych čerpadiel, vďaka čomu sú extrémne široko používané v systémoch s ultravysokým vákuom.Bežný prevádzkový cyklus rozprašovacích iónových čerpadiel je zvyčajne viac ako 10 rokov.
Iónové vývevy vo všeobecnosti musia byť nad 10-7 mbar, aby správne fungovali (práca pri horších vákuoch výrazne znižuje ich životnosť), a preto vyžadujú súpravu molekulárnej pumpy na zabezpečenie dobrého predstupňového vákua.Bežnou praxou je použiť iónovú pumpu + TSP v hlavnej komore a súpravu malej molekulárnej pumpy vo vstupnej komore.Pri pečení otvorte pripojený vložkový ventil a nechajte súpravu malej molekulárnej pumpy poskytnúť predné vákuum.
Treba poznamenať, že iónové čerpadlá sú menej schopné adsorpcie inertných plynov a ich maximálna rýchlosť čerpania sa trochu líši od rýchlosti molekulárnych čerpadiel, takže pre veľké objemy odplynenia alebo veľké množstvá inertných plynov je potrebná súprava molekulárnych čerpadiel.Okrem toho iónová pumpa počas prevádzky vytvára elektromagnetické pole, ktoré môže rušiť obzvlášť citlivé systémy.
IV.Titánové sublimačné čerpadlá
Titánové sublimačné čerpadlá fungujú tak, že sa spoliehajú na odparovanie kovového titánu, aby sa vytvoril titánový film na stenách komory na chemisorpciu.Výhody titánových sublimačných čerpadiel sú jednoduchá konštrukcia, nízka cena, jednoduchá údržba, žiadne žiarenie a žiadny hluk z vibrácií.
Titánové sublimačné čerpadlá sa zvyčajne skladajú z 3 titánových vlákien (aby sa zabránilo vyhoreniu) a používajú sa v kombinácii s molekulárnymi alebo iónovými čerpadlami na zabezpečenie vynikajúceho odstraňovania vodíka.Sú to najdôležitejšie vákuové pumpy v rozsahu 10-9-10-11 mbar a sú namontované vo väčšine komôr s ultravysokým vákuom, kde sa vyžadujú vysoké úrovne vákua.
Nevýhodou titánových sublimačných púmp je potreba pravidelného naprašovania titánu, vákuum sa pri naprašovaní (v priebehu niekoľkých minút) zhorší asi o 1-2 rády, preto určité komory so špecifickými potrebami vyžadujú použitie NEG.pri vzorkách/zariadeniach citlivých na titán je tiež potrebné dbať na to, aby ste sa vyhli umiestneniu titánového sublimačného čerpadla.
V. Kryogénne čerpadlá
Kryogénne čerpadlá sa pri získavaní vákua spoliehajú hlavne na fyzikálnu adsorpciu pri nízkej teplote, s výhodami vysokej rýchlosti čerpania, bez znečistenia a vysokého konečného vákua.Hlavnými faktormi ovplyvňujúcimi rýchlosť čerpania kryogénnych čerpadiel sú teplota a povrch čerpadla.V systémoch epitaxe veľkých molekulárnych lúčov sú kryogénne čerpadlá široko používané kvôli vysokým požiadavkám na konečné vákuum.
Nevýhodou kryogénnych čerpadiel je vysoká spotreba tekutého dusíka a vysoké prevádzkové náklady.Systémy s recirkulačnými chladičmi možno používať bez spotreby tekutého dusíka, čo však so sebou prináša zodpovedajúce problémy spotreby energie, vibrácií a hluku.Z tohto dôvodu sa kryogénne čerpadlá menej bežne používajú v konvenčných laboratórnych zariadeniach.
VI.Odsávacie čerpadlá (NEG)
Sacia pumpa je jednou z najpoužívanejších vývev v posledných rokoch, jej výhodou je úplné využitie chemickej adsorpcie, žiadne naparovanie a elektromagnetické znečistenie, často používané v spojení s molekulárnymi pumpami nahradia titánové sublimačné pumpy a rozprašovanie iónov čerpadlá, nevýhodou je vysoká cena a obmedzený počet regenerácií, zvyčajne sa používajú v systémoch s vysokými požiadavkami na stabilitu vákua alebo vysoko citlivými na elektromagnetické polia.
Okrem toho, keďže odsávacie čerpadlo nevyžaduje žiadne dodatočné napájanie nad rámec počiatočnej aktivácie, často sa používa aj vo veľkých systémoch ako pomocné čerpadlo na zvýšenie rýchlosti čerpania a zlepšenie úrovne vákua, čo môže systém efektívne zjednodušiť.

Obrázok ： Pracovné tlaky pre rôzne typy čerpadiel.Hnedé šípky znázorňujú maximálny povolený rozsah prevádzkového tlaku a hrubé zelené časti znázorňujú bežný rozsah pracovného tlaku.