31.Metody otrzymywania i

pomiaru próżni-

systematyka, porównanie

Alicja Wilczyńska

1.Wstęp

1.1 Próżnia – środowisko gazów rozrzedzonych
wytworzone w sposób zamierzony lub występujące w
sposób naturalny w górnych warstwach atmosfery.
1.2 Zalety próżni:
•Zmniejszone oddziaływanie gazów atmosferycznych na
zachodzące procesy technologiczne(np. przy wyciąganiu
płytek krzemowych)
•Możliwość wytworzenia strumieni nośników energii o
dużej koncentracji(wiązki elektronowe – mikroskopy
elektronowe; wiązki jonowe – implantacja
półprzewodników)
•Materiał izolacyjny ( np. termos)
1.3Ciśnienie – parametr charakteryzujący stopień
rozrzedzenia gazów













2

m

N

A

F

p

1.4 zakresy próżni
próżnia niska

10

2

Pa p <ciśnienie

atmosferyczne = 10

5

P

próżnia średnia 10

-1

Pa  p < 10

2

Pa

próżnia wysoka 10

-6

Pa  p < 10

-1

Pa

próżnia ultrawysoka 10

-10

Pa  p < 10

-6

Pa

próżnia ekstremalna p < 10

-10

Pa

Podczas pompowania ciśnienie w zbiorniku maleje, a
odpompowany gaz przepływa do pompy poprzez
przewód łączący o przewodności G. Ilość gazu jaka
przepływa przez przewód w jednostce czasu to
natężenie przepływu:
I=G(p

2

– p

1

) – różnica ciśnień powoduje przepływ

gazu.

Przepływ gazu ze zbiornika do pompy

Pompy pośrednie stosuje się aby szybkość
pompowania nie była mała.

2.Pompy próżniowe
2.1 Podział ze względu na uzyskiwaną próżnię
końcową
Pompy próżni wstępnej
Pompy pośrednie
Pompy wysokiej próżni

•2.2 Podział ze względu na sposób pompowania
* Pompy przepompowujące gaz ( mają wlot i wylot)

•

Pompy magazynujące gaz (mają tylko wlot)

2.3 Podział ze względu na zasadę działania
•Pompy
mechaniczne(objętościowe,molekularne,turbomolekula
rne)
•Pompy strumieniowe(dyfuzyjne)
•Pompy sorpcyjne

3. Pompy mechaniczne
3.1Pompy objętościowe
- pompy próżni wstępnej, przepompowujące,
mechaniczne

Zasada działania:
Po dołączeniu pierwszego zbiornika ilość gazu Q nie
zmienia się , zmienia się objętość V. Ponieważ Q=Vp, to

atm

k

z

k

atm

2

z

1

z

2

2

z

1

atm

z

1

1

z

atm

p

V

V

V

p

p

V

V

V

p

V

V

V

p

p

)

V

V

(

Vp

p

V

V

V

p

p

)

V

(V

Vp

















































3.2Pompy molekularne

Zasada działania:
Proces pompowania zachodzi w wyniku nadawania
cząsteczkom pompowanego gazu pewnego momentu
kierunkowego, przez szybko wirującą powierzchnię
wirnika, w wyniku czego między wlotem a wylotem
pompy ustala się pewna różnica ciśnień

3.3Pompy turbomolekularne

Zasada działania:Wewnątrz statora znajdują się
dwa zespoły tarcz. W każdym z tych zespołów
tarcze mocowane są na przemian do statora i
wirnika pompy. Każda tarcza ma nacięcia
wykonane wzdłuż promienia pod takim kątem,
że poszczególne segmenty tworzą łopatki
nachylone względem płaszczyzny tarczy.

4.Pompy strumieniowe
4.1Pompy dyfuzyjne

Zbiornik pompy wypełniony jest rtęcią lub olejem i
podgrzewany oporowo za pomocą spirali
grzejnej.Wytworzony strumień pary doprowadza się
do dyszy, która kieruje go na wewnętrzne ścianki
korpusu pompy spełniające rolę
kondensora(chłodzony wodą lub powietrzem).Między
dyszą a kondensorem strumień par tworzy przesłonę
pompującą.

O efekcie pompowania

decydują:

Dyfuzja gazu w obszar

strumienia par

uzyskiwanie przez cząsteczki

gazu pewnego

ukierunkowanego pędu w

wyniku zderzeń z
cząsteczkami par

1.Pompa sublimacyjna
Rolę sorbentu(pochłaniacza) spełnia aktywna chemicznie warstwa
metaliczna nanoszona przez naparowywanie(najczęściej tytan,
rzadko molibden,cyrkon i tantal). Cząsteczki gazu padając na

aktywną

powierzchnię tytanu zostają zaadsorbowane, a następnie przykryte
świeżą warstwą naparowywanego sorbentu. Pompowany gaz
zostaje trwale zmagazynowany(w wyniku reakcji chemicznych)
w objętości materiału pochłaniającego, a desorpcja gazu zachodzić

może

jedynie na drodze jego dyfuzji z wnętrza materiału.

Współczynnik przylgnięcia zależy od:

•Rodzaju pompowanego gazu
•Materiału sorpcyjnego
•Stopnia pokrycia powierzchni
•Struktury i stanu powierzchni warstwy adsorbującej
Współczynnik ten jest znikomo mały dla gazów
szlachetnych i dla metanu – te gazy nie są pompowane

Metan może powstać wewnątrz pompy w wyniku reakcji
wodoru i węgla. Węgiel jest typowym
zanieczyszczeniem tytanu. Duża zawartość węgla w Ti
wpływa na próżnię końcową.
O trwałości pompy decyduje zapas Ti
Zastosowanie –jako pompa pomocnicza
Szybkość pompowania duża dla gazów aktywnych
chemicznie.

Pompy jonowo-sorpcyjne

Pompa jonowo sorpcyjna z gorącą katodą jest pompą
sublimacyjną wyposażoną dodatkowo w system
elektrod służących do jonizacji pompowanego gazu.
Zjawiska jonizacji nie odgrywają większej roli w
przypadku pompowania gazów aktywnych
chemicznie, natomiast decydują o szybkości
pompowania gazów szlachetnych.

Ciśnienia końcowe jakie można uzyskać za pomocą
pomp jonowo-sorpcyjnych są rzędu 10

-7

– 10

-8

Pa

Istnieje możliwość wystąpienia efektu tzw.
„rozpylania gazowego”

Zasada działania pompy jonowo-sorpcyjnej:

Sublimator zawiera zapas tytanu, który odparowując osadza się na
chłodzonych wodą ścianach korpusu tworząc lustro
sorpcyjne.System elektrod: żarzona katoda i siatka. Emitowane z
elektrody elektrony przyspieszane są w polu elektrycznym,
wytworzonym miedzy elektrodą a siatką. Część przechodzi między
zwojami i dostaje się w obszar pola hamującego między siatką a
uziemionym korpusem . Elektrony wówczas zawracają w kierunku
siatki.Wokół siatki tworzy się chmura oscylujących elektronów,
które jonizują obojętne cząsteczki gazu. Powstałe jony kierowane
są w kierunku korpusu pompy i wbijają się trwale w głąb
naparowanej warstwy tytanu. Jony kierowane do katody są tam
neutralizowane i powracają do obszaru jonizacji.

Pompy kondensacyjne

Kondensacja- fizyczne wiązanie atomów lub cząsteczek
na powierzchni, na której są już takie same cząsteczki.
Pierwsza warstwa jest adsorbowana.
W pompach kriogenicznych wykorzystuje się efekt
pompowania kriogenicznego, który zachodzi w wyniku
kondensacji cząsteczek pompowanego gazu na
powierzchniach ochłodzonych do bardzo niskich
temperatur. Przy temperaturze ciekłego helu(4.2K) w
objętości opróżnianej pozostaje jedynie hel i wodór.
O próżni końcowej decyduje temperatura kondensora i
zawartość gazów nie ulegających kondensacji.

Porównanie pomp mechanicznych

Parametr

Objętościowa

Molekularna

turbomolekularna

Próżnia

końcowa

Pompa próżni

wstępnej

10

-4

Pa

10

-6

-10

-8

Pa

Próżnia

wstępna na

wylocie

-

+

+

Molekularny

przepływ

gazu

-

+

+

Przepływ

gazu w

pompie

Wlot-komora-

wylot

Wlot-kanał-

wylot

Wlot w centralnej

części pompy-w

kierunku obszarów

peryferyjnych, które

połączone są

wzajemnie kanałem

wylotowym

Sposób

pompowania

Pompa

przepompowuj

ąca

Pompa

przepompowuj

ąca

Pompa

przepompowująca

Szybkość

pompowania

8-200m

3

/h

1,5-80l/s

50-900l/s

Szybkość

obrotów

1500obr/min

8*10

3

-

20*10

3

obr/min

20*10

3

–

90*10

3

obr/min

Porównanie pomp

Parametr

Dyfuzyjna

Sublimacyj
na

jonowo-
sorpcyjna

Kriosorpcyj
na

Próżnia

końcowa

10

-5

-10

-6

Pa

<10

-8

10

-7

– 10

-8

Szybkość
pompowani
a

12-
60000l/s

Bardzo
duża dla
gazów

aktywnych
chemicznie

12-1000l/s

350-60000

Sposób
pompowani

a

przepompo
wująca

Magazynuj
ąca

Magazynuj
ąca

magazyują
ca

Wymóg

próżni
wstępnej

P<10Pa

P<10

-2

P<10

-2

Pa

Rodzaj
pompowan
ego gazu

Wszystkie

Nie
pompuje
gazów

szlachetny
ch i
metanu

wszystkie

Klasyfikacja próżniomierzy ze względu na sposób
działania:

•Cieplnoprzewodnościowe
•Oporowe
•Jonizacyjne z gorącymi katodami

Próżniomierze cieplnoprzewodnościowe
Próżniomierz składa się z głowicy pomiarowej oraz z
układu zasilająco pomiarowego. Wewnątrz głowicy
dołączonej do obszaru o ciśnieniu p

x

znajduje się element

podgrzewany oporowo do pewnej temperatury.
Temperatura tego elementu zależy od parametrów
zasilania i od warunków chłodzenia. Ciepło może być
odprowadzane przez promieniowanie q

R

, przewodnictwo

cieplne gazu q

c

oraz przez przewodnictwo cieplne

zamocowań elementu q

p

Q

el

= q

R

+ q

c

+ q

p

Przy założeniu, że q

p

nie zależy od ciśnienia gazu

wyróżniamy tzry warianty zasilania elementu grzejnego

Metoda stałej mocy zasilania

Jeżeli do elementu grzejnego doprowadzana jest zawsze
stała moc, a temperatura osłony nie ulega zmianie, to
wzrostowi ciśnienia wzrostowi ciśnienia gazu towarzyszy
spadek temperatury elementu grzejnego. Na podstawie
pomiaru temperatury tego elementu wnioskujemy o
wartości ciśnienia p

x

.

Metoda stałej temperatury
Jeśli element grzejny utrzymywany jest w stałej
temperaturze, to wraz ze wzrostem ciśnienia i
zwiększeniem ilości ciepła odprowadzanego przez
przewodnictwo cieplne gazu wzrosnąć musi moc
dostarczana do elementu. Mierząc moc wnioskujemy o
ciśnieniu p

x

Metoda stałych parametrów zasilania
Stosuje się stałe napięcie zasilania elementu bądź stałe
natężenie prądu przepływającego przez ten element.
Zmiana ciśnienia powoduje zmianę mocy doprowadzanej
i zmianę temperatury elementu grzejnego.
W praktyce najwygodniejsza jest trzecia metoda

Próżniomierze oporowe
Włókno oporowe zamocowane wewnątrz głowicy
pomiarowej, włączone jest do jednego z ramion mostka
oporowego. Mostek zasilany jest napięciem stałym.
Głowicę odpompowuje się do ciśnienia znacznie niższego
od dolnej granicy zakresu pomiarowego próżniomierza i
sprowadza się mostek do stanu równowagi poprzez
regulację opornika R

1

, wówczas R

1

R

3

= R

2

R

x

. Następnie

ciśnienie wewnatrz głowicy rośnie, rośnie ilość
odprowadzanego ciepła , maleje temperatura włókna a
wraz z nią oporność R

x

i równowaga mostka zostaje

naruszona.
Metoda stałej temperatury
Mostek sprowadza się ponownie do stanu równowagi
zwiększając napięcie tak aby R

x ,

w wyniku wzrostu

doprowadzonej mocy , osiągnęła poprzednią wartość. Ze
zmian napięcia wnioskujemy o ciśnieniu.
Metoda zasilania stałym napięciem
Miarą ciśnienia gazu w głowicy jest stopień
rozrównoważenia mostka

Próżniomierze jonizacyjne z gorącymi katodami

Głowica próżniomierza to układ trójelektrodowy.
Termoelektroda-źródło elektronów wykorzystywanych do
jonizacji gazu. Elektroda dodatnio spolaryzowana – kolektor
elektronów-służy do wytworzenia pola elektrycznego,w którym
elektrony uzyskują energię niezbędną do jonizacji gazu.
Elektroda ujemnie spolaryzowana – kolektor jonów-służy do
przechwytu jonów z obszaru jonizacji.
Przy założeniu,że prąd kolektora jonów jest prądem
jonowym(od ciśnień>10

-5

), a prąd kolektora elektronów jest

prądem elektronów emitowanych z katody
Natężenie prądu kolektora jonów jest proporcjonalne zarówno
do ciśnienia gazu jak i do wartości prądu elektronowego.