Iontové vývěvy
Iontové vývěvy se studenou katodou Diodové výbojové vývěvy
Princip Penningův manometr - paralelní řazení, roštová anoda, katody z Ti, Ta
životnost katody ~ 50000 hodin - 5.7 let nepřetržitého provozu
• napětí 2-10 kV
• magnetické pole 0.01 - 0.2 T
Vakuová fyzika 2
1 / 37
1J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198S? ► < ä ► < í ►    í OQ.O
2/37
Vakuová fyzika 2
Fig. 14.6 Schematic diagram showing sputter deposition and pumping mechanisms in a Penning cell: ■ Chemically active gases buried as neutral particles; ► chemically active gases ionized before burial; □ inert gases buried as neutral particles; A inert gases ionized before burial. Reprinted with permission from Proc. 4th Int. Vac. Congr. (1968), p. 325, D. Andrew. Copyright 1969, The Institute of Physics.
2F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003)
Vakuová fyzika 2
i O0.0-
lfj,p(%)
100
50
		x			
					
JO'6 JO'5 10'*   JO'3  tf2 JO'1 10°
p (Po)
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 2
■0 0.0
4J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984
Vakuová fyzika 2
5/37
10 8-
,--n
u
*> fi.
s—
co 4 -2
H,
0*
10° 10" P (Torr)
10
5A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990
Vakuová kyzika 2
Čerpací rychlost jedné Penningovské cely
empirické vzorce - Hartwing a Kouptsidis: nízké mag. pole LMF mód,B < Btr:
sLMF = 1.56 • icr5p°-2/r2e2 [Is-1]
vysoké mag. pole HMF mód, B > Btr: Shmf = 9. lO-*/*^ -
kde
e^ = 7-637^oo5 tGauss]
r,l - [cm], P - [torr]
Vakuová fyzika 2
Čerpací mechanizmus
• chem. aktivní plyny (C>2,N2,...) - chemicky reagují s Ti - nitridy, oxidy
• ionty lehkých plynů (He, H2,...) po dopadu na povrch katody difundují do objemu
• těžší ionty (Ar, Xe,...) jsou na povrchu katody překrývány novou vrstvou Ti
• složitější molekuly (CH4,...) se rozkládají ve výboji na jednodušší fragmenty a atomy
• maximum čerpací rychlosti je ~ 10~4 Pa, klesá asi na polovinu při tlaku ~ 1CT8 Pa
Vakuová fyzika 2
8/37
Argonová nestabilita
6A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990
Vakuová fyzika 2
9/37
7J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984
Vakuová fyzika 2
10 / 37
Triodové výbojové vývěvy
c) [i
vsiup
Lr
o
-A
I I I I I I I 1
s s
s
s
hl
s
i i i i i » i r
0
I I I ľf I I 5h
TT
s v
N
hl
B
i
s
I I /I I I I I EH
-O +
3J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
■Ono
Vakuová fyzika 2
= Collector □ Cathode
	h{		Anode _ *
I i 1 1 i ; ! 1 L: i H3tvf			
	la)		m
Anode
(d)
j=» Collector
"J
Anode
^Collector
QDDDDOaoDDDOQDCathode Anode
Hi
^JBwf oooaanooooQgacHitvf
(b)
(c)
=JTa Cathode t
			Anode
Ti Cathode			f. r
^—ii- 1 ii 'U
Cathode Anode
(•)
(f)
Kig. 14.7 Pump designs for inert gas pumping: (a) The triode pump of Brubaker [39]; (b) triode pump of Hamilton [40]; (c) triode Varian Noble Ion Pump [41]; (d) slotted cathode diode of Jepsen et al. [42]; (e) differential ion pump of Tom and Jones [43]; (f) magnetron pump of Andrew et al. [46]. Reprinted with permission from Proc. 4th bat Vac. Congr. (1968), p. 325, D. Andrew. Copyright 1969, The Institute of Physics.
Tab. 4.19. Relativní čerpací rychlost (vzhledem k čerpací rychlosti pro vzduch) diodových a triodových titanových vývěv (orientační údaje)
Plyn (r *)
H3
Deuterium
CH4
Diodová vývě\ ;i 2,7
-■---1,9
Triodová vývěv a 2,0
1,5
Páry olejů
HjO j C02 I Vzduch
1-1,6 1
N,
O,
0,9 i 0,6
Ne
He
Ar
0,12 i 0,1
!<W)l
o,i5i 0,1-ojlai-w
li
nJ. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198Š    .<►<!►   ^ ■O^cv
14 / 37
Vakuová fyzika 2
Výveva váha 65 kg, výška 300 mm, šírka 300 mm
600
— 500
ä
■O 400-
<D
a
W 300
CD C
ö. 200 E
^ 100
r	~'     r-1-1-— Diode, Air^-—v	i
	Triode, Air\\	\
	Triode, Argon	\\
i	i      i      i      i i	\ >
10-9 IQ"8
10"7  10"6 10"5   10"*  10"3   10'2 10"1
Pumping Pressure {Pa)
Rg. 14.8 Pumping speeds for air and argon for the 500-L/s Varian diode Vac Ion pump and for the 400-L/s triode Vac Ion pump. Speeds measured at the inlet of the pump. Reprinted with permission from Varian Associates, 611 Hansen Way, Palo Alto, CA 94303.
14
F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003)
Vakuová fyzika 2
■ono
Obr. 4.135. Čerpací systém s iontovou vývevou (GEC-AEl. Velká Británie)
/ - komora vývev obsahující sublimační kryovývěvu a iontovou vývěvu: 2 - vakuová
komora (recipient); i - agregát tři zeolitových vývěv; 4 - tepelná stíněni; 5 - zvedák
recipientu; 6 - okénko; 7 - ventil; 8 - příruby pro připojení vakuometrů, sublimačních
elementů atd.; 9 — tepelný vakuometr; 10 - ventil; í! — 2avzdušň ovací ventil;
12 — vakuový rozvod; 13 — skříň se měřícimi a ovládacími přístroji
15
5J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 2
jô»\-1-1-1--1
001      Ql       1 ,    ,19 100 dobo čerpaní   f f A)
Obr. 4.136. Čerpací charakteristiky vysokovakuového čerpacího systému skládajícího se ze zeolitových vývěv, vývěvy sublimační a iontové (podle Craiga, 1968) / — zapojení tří zeolitových vývěv;
— zapojení ohřevu iontové vývěvy a vakuové komory; /// - zapojení ohřevu iontové vývěvy; IV — iontové a sublimační vývěvy; V — zapojení ohřevu komory; VI - zavedení kapalného dusíku do sublimační vývěvy
16_
16J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1984 < i ►   i ono
19 / 37
Vakuová fyzika 2
• procesy chemisorpce, difúze do objemu, ionizace a následná implantace iontů, trapping částic
• dobře čerpá H2, H20, N2, CO, C02, 02
• čerpá i inertní plyny např. Ne,Ar,...
• čistý povrch kovu, rozprašování Ti katody, doutnavý výboj v magnetickém poli , pracuje od ~ 10~4Pa
• získávání vysokého a extrémně vysokého vakua
různé konstrukční provedení (diodové, diferenciální - katody z Ti a Ta, triodové)
• nevýhoda: dopadem elektronů a iontů na elektrody dochází k zahřívání - desorpce plynu
Vakuová fyzika 2
20 / 37
Getrové vývěvy
• vypařované getry - elektronky, obrazovky,...
• nevypařované getry - elektronky, urychlovače, čištění plynů....
čerpání malých uzavřených prostor, potrubí, čištění plynů, téměř libovolný
geometrický tvar getru, přenosná vakuová zařízení,...
pro systémy, které se nezavzdušňují vůbec, nebo jen ojediněle
Vakuová fyzika 2
21 / 37
Vypařované getry
Vlastnosti vypařovaných getrů
• nízkou tenzi par (< 1CT2 Pa) při teplotě ~ 400 °C
• dostatečně velkou tenzi par (> 102 Pa) při teplotě ohřevu ~ 600 - 1000 °C
• zanedbatelně nízkou tenzi par (< 10~5 Pa) při pokojové teplotě
• velkou schopnost pohlcovat plyny zejména kyslík
• chemická stabilita
• neuvolňovat složky, které by snižovaly emisivitu katody
Vakuová fyzika 2
22 / 37
Používané vypařované getry:
• hliník - reaguje jen s kyslíkem
• hořčík - dobře čerpá kyslík, snadněji se vypařuje
• titan
• baryum - nej používanější . BaTh
• Ba+Sr+C+Ta
• BaAI4
o ►   <fl ►   4 S ►   4 -š ►       -Š O^O
Vakuová fyzika 2
Zpravodaj CVS 2/2004
Vakuová fyzika 2
24 / 37
2 Ba + 02 3 Ba + 2 CO -> 5 Ba+ 2 C02 -
3 Ba + N2 2 Ba + H20 -
Ba + H2
->   2 BaO   (92 mbar.l.g-1)
2 BaO + BaC2   (107 mbar.l.g'1)
4 6a0 + 6aC2 (67 mbar.l.g'1) ->•   ea3/V2   (53 mbar.l.g-1)
BaO + eaH2   (80 mbar.l.g-1) ■   BaH2   (173 mbar.l.g-1)
Vakuová fyzika 2
25 / 37
• vypařování getrů - nejčastěji pomocí vnější vf cívky
• vypařování getrů se provádí při co nejnižším tlaku
• čerpací rychlost záleží na teplotě, velikosti plochy getru, na struktuře vrstvy getru , tlaku čerpaného plynu, složení čerpaného plynu
• lze získat a udržet tlak řádu ~ 10~10 Pa
• v šedesátých letech se vyrábělo asi 3 miliony getrů denně
Vakuová fyzika 2
26 / 37
Nevypařované getry, N EG
• zpravidla dvou, nebo třísložkové slitiny
• Ti, Zr, V, Hf, Th, Fe, AI, Co, Ce,...
• vrstva sorbovaného plynu - při přípravě, při montáži do reaktoru,..
• aktivace getru - zvýšená teplota po dobu několika hodin
• difúze a rozpouštění do objemu, desorpce
Vakuová fyzika 2
27 / 37
Zpravodaj CVS 2/2004
Vakuová fyzika 2
28 / 37
Čerpací mechanizmus
• CO, CO2, O2, N2 - jsou chemisorbovány a jejich desorbce je za normálních podmínek velmi těžká, při zahřátí getru difundují do objemu
• H2 - je sorbován, difúze do objemu, sorbce je reverzibilní
• H2O - disociace na vodík a kyslík
• uhlovodíky - jsou sorbovány na povrchu, kde se rozpadají, uhlík je chemisorbován
• vzácné plyny Ar, Xe, ... - nejsou getrem čerpány
Vakuová fyzika 2
29 / 37
Gas sorbed quantity
19
19Zpravodaj CVS 2/2004
Vakuová fyzika 2
g> (Ji <1> <K     -š     -O o, O
30 / 37
20
20Zpravodaj CVS 2/2004
Vakuová fyzika 2
31 / 37
Getter strip in LEP collider
Lead shielding
Fig. 2. The cross section of the LEP Collider vacuum chamber showing the St 101 NEG strip position.
21
21firemni mat. Saes getters
Vakuová fyzika 2
32 / 37
IMEG STRIP (Zr-V-Fe alloy!
Beam chamber   Sheathed heater
SPring-8
Pumping chamber
Fig. 3. The cross section of the Argonne APS and the SPring-8 vacuum chambers showing the St 707 NEG strip position.
22
22firemni mat. Saes getters
Vakuová fyzika 2
33 / 37
Vakuová fyzika 2
34 / 37
Fig. 13. Typical SORB-AC Cartridge NEG pump based on NEG strips (GP family).
24
24firemnf mat. Saes getters
Vakuová fyzika 2
Getter Pump to Maintain Low Reference Pressure
25
firemní mat. MKS i -00.O
Vakuová fyzika 2 36 / 37
• dominantní proces je chemisorpce a difúze do objemu
• dobře čerpá H2, H20, N2, CO, C02, 02
• nečerpá inertní plyny např. Ne,Ar,...
• čistý povrch kovu, aktivace vyšší teplotou, pracuje od ~ 10~4Pa
• získávání vysokého a extrémně vysokého vakua
• složení getru
• jedna složka - Ti, Zr
• dvě složky - ZrFe,..., aktivace 700 - 900 °C
• tři složky - ZrVFe(- 450 °C), TiZrV(- 200 °C)
• v kombinaci s iontovou vývevou je možné dosáhnout tlaku řádu 1CT11 Pa
Vakuová fyzika 2
37 / 37