Насоси, які зазвичай використовуються в системах надвисокого вакууму

I. Механічні насоси
Основною функцією механічного насоса є забезпечення необхідного попереднього розрідження для запуску турбомолекулярного насоса.Механічні насоси, які зазвичай використовуються, включають в основному вихрові сухі насоси, мембранні насоси та механічні насоси з масляним ущільненням.
Мембранні насоси мають низьку швидкість перекачування і зазвичай використовуються для невеликих молекулярних насосних установок через невеликий розмір.
Механічний насос із масляним ущільненням є найбільш використовуваним механічним насосом у минулому, характеризується високою швидкістю перекачування та хорошим кінцевим вакуумом, недоліком є ​​загальна наявність повернення масла, у системах надвисокого вакууму, як правило, потрібно обладнати електромагнітний клапан (для запобігання випадковому відключенню електроенергії, спричиненому поверненням масла) і молекулярне сито (ефект адсорбції).
В останні роки все частіше використовується спіральний сухий насос. Перевага полягає в простоті використання та відсутності повернення до масла, просто швидкість перекачування та кінцевий вакуум трохи гірші, ніж у механічних насосів із масляним ущільненням.
Механічні насоси є основним джерелом шуму та вібрації в лабораторії, тому краще вибрати насос із низьким рівнем шуму та розмістити його між обладнанням, де це можливо, але останнього часто непросто досягти через обмеження робочої відстані.
II.Турбомолекулярні насоси
Турбомолекулярні насоси покладаються на високошвидкісні обертові лопаті (зазвичай близько 1000 обертів на хвилину), щоб досягти спрямованого потоку газу.Відношення тиску вихлопу насоса до тиску на вході називається ступенем стиснення.Ступінь стиснення залежить від кількості ступенів насоса, швидкості та типу газу, загальна молекулярна маса стисненого газу є відносно високою.Граничний вакуум турбомолекулярного насоса зазвичай вважається рівним 10-9-10-10 мбар, і в останні роки, завдяки постійному прогресу технології молекулярного насоса, кінцевий вакуум був ще більше вдосконалений.
Оскільки переваги турбомолекулярного насоса реалізуються лише в стані молекулярного потоку (стані потоку, в якому середній вільний діапазон молекул газу значно перевищує максимальний розмір поперечного перерізу каналу), вакуумний насос попереднього ступеня з робочим тиском від 1 до 10-2 Па.Через високу швидкість обертання лопаток молекулярний насос може бути пошкоджений або зруйнований сторонніми предметами, тремтінням, ударом, резонансом або газовим ударом.Для новачків найпоширенішою причиною поломки є газовий удар, викликаний помилками в експлуатації.Пошкодження молекулярної помпи також може бути викликано резонансом, викликаним механічною помпою.Цей стан є відносно рідкісним, але вимагає особливої ​​уваги, оскільки він є більш підступним і його важко виявити.

III.Іонний насос для розпилення
Принцип роботи розпилювального іонного насоса полягає у використанні іонів, які генеруються розрядом Пеннінга, для бомбардування титанової пластини катода з утворенням свіжої титанової плівки, таким чином адсорбуючи активні гази та створюючи певний ефект поглинання інертних газів. .Переваги розпилювальних іонних насосів полягають у хорошому кінцевому вакуумі, відсутності вібрації, відсутності шуму, відсутності забруднення, зрілому та стабільному процесі, відсутності технічного обслуговування та при однаковій швидкості накачування (за винятком інертних газів), їх вартість набагато нижча, ніж молекулярні насоси, що робить їх надзвичайно широко використовуваними в системах надвисокого вакууму.Зазвичай нормальний робочий цикл розпилювальних іонних насосів становить більше 10 років.
Іонні насоси, як правило, повинні мати тиск вище 10-7 мбар, щоб працювати належним чином (робота при гіршому вакуумі значно скорочує термін їх служби), тому для забезпечення хорошого попереднього вакууму потрібен молекулярний насосний комплект.Поширеною практикою є використання іонного насоса + TSP у головній камері та невеликого молекулярного насосного набору у вхідній камері.Під час випікання відкрийте підключений вставний клапан і дайте невеликому молекулярному насосному набору створити передній вакуум.
Слід зазначити, що іонні насоси менш здатні до адсорбції інертних газів і їхня максимальна швидкість накачування дещо відрізняється від швидкості молекулярних насосів, тому для великих обсягів виділення газів або великої кількості інертних газів потрібен молекулярний насосний комплект.Крім того, під час роботи іонний насос створює електромагнітне поле, яке може заважати особливо чутливим системам.
IV.Титанові сублімаційні насоси
Титанові сублімаційні насоси працюють, спираючись на випаровування металевого титану для утворення титанової плівки на стінках камери для хемосорбції.Перевагами титанових сублімаційних насосів є проста конструкція, низька вартість, легке обслуговування, відсутність випромінювання та шуму вібрації.
Титанові сублімаційні насоси зазвичай складаються з 3 титанових ниток (щоб запобігти вигоранню) і використовуються в поєднанні з молекулярними або іонними насосами для забезпечення чудового видалення водню.Це найважливіші вакуумні насоси в діапазоні 10-9-10-11 мбар і встановлюються в більшості камер надвисокого вакууму, де потрібен високий рівень вакууму.
Недоліком титанових сублімаційних насосів є необхідність регулярного напилення титану, вакуум погіршується приблизно на 1-2 порядки під час напилення (протягом кількох хвилин), тому певні камери з особливими потребами вимагають використання НЕГ.також для зразків/пристроїв, чутливих до титану, слід уникати розташування титанового сублімаційного насоса.
V. Кріогенні насоси
Кріогенні насоси в основному покладаються на низькотемпературну фізичну адсорбцію для отримання вакууму з перевагами високої швидкості накачування, відсутності забруднення та високого остаточного вакууму.Основними факторами, що впливають на швидкість перекачування кріогенних насосів, є температура та площа поверхні насоса.У великих системах молекулярно-променевої епітаксії кріогенні насоси широко використовуються через високі вимоги до кінцевого вакууму.
Недоліками кріогенних насосів є велика витрата рідкого азоту і великі експлуатаційні витрати.Системи з рециркуляційними чилерами можна використовувати без споживання рідкого азоту, але це несе з собою відповідні проблеми споживання енергії, вібрації та шуму.З цієї причини кріогенні насоси рідше використовуються в традиційному лабораторному обладнанні.
VI.Насоси аспіраторні (NEG)
Насос всмоктуючого агента є одним із найбільш використовуваних вакуумних насосів останніми роками, його перевагою є повне використання хімічної адсорбції, відсутність парового покриття та електромагнітного забруднення, часто використовується в поєднанні з молекулярними насосами замість титанових сублімаційних насосів та іонного розпилення. насоси, недоліком є ​​висока вартість і обмежена кількість регенерацій, зазвичай використовуються в системах з високими вимогами до стабільності вакууму або високочутливі до електромагнітних полів.
Крім того, оскільки насос аспіратора не потребує додаткового підключення джерела живлення після початкової активації, він також часто використовується у великих системах як допоміжний насос для збільшення швидкості відкачування та підвищення рівня вакууму, що може ефективно спростити систему.

Малюнок: Робочий тиск для різних типів насосів.Коричневі стрілки показують максимально допустимий діапазон робочого тиску, а виділені зеленим шрифтом частини показують загальний діапазон робочого тиску.