Материалы и элементы вакуумной техники

Типовые элементы вакуумной исследовательской техники:

· Конструкционные элементы – корпуса, колпаки, и т.п.

· Уплотнительные и крепежные элементы.

· Средства откачки.

· Держатели образцов и подложек.

· Молекуляторы.

· Вводы вращения.

· Окна.

· Нагреватели.

· Электроды различных форм и размеров.

 

 

Требования к материалам вакуумной техники:

· Низкая газопроницаемость.

· Низкое газовыделение.

· Устойчивость при температурах отжига.

· Высокая устойчивость к коррозии.

· Механическая прочность.

· Возможность тонкой механической обработки.

Специфические требования к материалам для отдельных элементов:

· Для подложек и испарителей – высокая температура плавления.

· Для электродов – устойчивость к коррозии под воздействием сильных электрических полей и разрядов.

· Высокая/низкая магнитная проницаемость – подавление/использование магнитных полей.

Типовые применяемые материалы:

· Сталь марки 12Х18Н10Т – основной материал для конструкционных элементов.

· Материалы с хорошей электропроводностью: Cu, Al (ограничение по t).

· Тугоплавкие металлы для испарителей: W, Mo, Ta.

· Пермаллой (??) ферромагнетики

· Стекло для окон

· Керамическая изоляция из специальной керамики (Al₂O₃), выдерживает температуры до 1500-2000 градусов.

· При нагреве до 200…250 градусов, могут быть использованы некоторые полимеры: тефлон, силикон, т.д.

Проблемные материалы:

· Большинство пластиков.

· Большинство резин.

· Металлы: цинк, кадмий, сплавы с их участием (латунь), покрытия из них.

Средства откачки.

Двухступенчатая откачка: сначала вакуумная камера откачивается форвакуумным насосом, и затем начинает работать высоковакуумный насос, который опускает давление до высокого вакуума. Для начала работы высоковакуумных насосов нужно давление порядка 1 Па.

Два класса устройств:

1. Форвакуумные насосы.

2. Высоковакуумные насосы.

Форвакуумные насосы.

1. Ротационно-лопастной насос. Внутри ротора находятся лопасти на пружинах, которые при его вращении разжимаются до краев цилиндрической камеры из-за растяжения пружин. Лопасти забирают порцию от откачиваемых остатков газа с выхода. Для изоляции от атмосферы ставится резервуар с маслом. Остаточное давление может быть обеспечено в порядке ~ 0,1 Па.

2. Цеолитовый криогенный насос.

Цеолиты – класс веществ, представляющий собой алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов, таких как натрий и кальций. Промышленно выпускаются в форме гранул, имеют структуру с внутренними порами, соединенными с каналами диаметров порядка 1 нм. Чем мельче детали, тем больше удельная поверхность. Внутренняя поверхность материалов огромна, и может составлять в 40000 раз больше площади, чем наружная. Такая структура с каналами и большой внутренней поверхностью позволяет гранулам адсорбировать в себя большое количество газов. Не адсорбируются только инертные газы и водород. Адсорбция значительно усиливается при охлаждении жидким азотом, что и используется в насосах.
Цеолит высыпается из резервуара, он присоединяется к вакуумной системе, и заливается жидким азотом. Соответственно, при присоединении к вакуумной камере адсорбируют газы. Остаточное давление порядка 10^-1 Па. Насосы так же комплектуют печью, в ней прогревают полости с цеолитом, происходит десорбция газов при нагревании.