Iontové vývěvy
Iontové vývěvy se studenou katodou Diodové výbojové vývěvy
Princip Penningův manometr - paralelní řazení, roštová anoda, katody Ti, Ta
životnost katody ~ 50000 hodin - 5.7 let nepřetržitého provozu
• napětí 2-10 kV
• magnetické pole 0.01 - 0.2 T
• 1936 - Penningův manometr
• 1957 - Russell a Siguard Varian - iontová vývěva
kí
B
f m f mura
H,
O ion
© ofom (molekula) plynu ° elektron atom
i
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198i
2/38
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.
2__
2F.OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003)
3/38
Vakuová fyzika 2
p(Pa)
3_
3J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 19S4i >
N
S
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 2
5/38
N
\
8-
o
N
- —
1/5 A
2
O
o*
10~* 10" P (Torr)
10
-4
5A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990
Vakuová fyzika 2
6/38
Čerpací rychlost jedné Penningovské cely
empirické vzorce - Hartwing a Kouptsidis:
nízké mag. pole LMF mód,B < Btr:
Slmf = 1.56 • 1(T5 P°12 Ir2 B2 [/s"1]
vysoké mag. pole HMF mód, B > Btr:
A ni    ,      1.5 • 104J(B - Btr)rP, r SHMF = 9-10-4P01IU[1--^-[Is-1]
kde
B« = 7-637poČ5 [Gat/ssl
r,l - [cm], P - [torr]
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 - 1(T8 Pa
Vakuová fyzika 2 8/38
Argonová nestabilita
A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990
Vakuová fyzika 2
4 □ ► 4 SP ►
9/38
Triodové výbojové vývěvy
c)
vstup
o
I l I I M I T
5
1
I I I I I I I L
I M m II Ch
n
s s
I l/l I I I I Iľ
o
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Collector
i::;;!;!; i i i i Cathode ITT Anode
i i i i; j
TTTHikvfr-
(a)
innnnnnAnnnnnni Cathode
•4
Anode
ilfUUUUUUUUUUUlJV-(d)
Collector
HD
(b)
Anode
BgaazaBagazaggazaCollector OODOOQQODDQOQOCathode
Anode
řgkvf OOOOOQQOOODDOOÍf^
(c)
Ta Cathode
£node
Cathode
Anode +
Ti Cathode (a)
Fig. 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]; (0 magnetron pump of Andrew et al. [46]. Reprinted with permission from Proc. 4th Intl. Vac. Conff (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 IT Deute-(p ! num
Diodová vvvě\ i\ 2,7
Triodová vvvéui 2,0
1,9
CH4
1.5
Páry olejů
H20
CO,
1-1,6
Vzduch
N-
O.
0,9
0,6
Ne
He
Ar
0,12 i 0,1
10,01
0,151 0,1-0310,1
11
nJ. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981      - ► < i ►   i <o<ko>
Vakuová fyzika 2
12
12
A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990
< □ ►
Vakuová fyzika 2
15 / 38
Vývěva váha 65 kg, výška 300 mm, šířka 300 mm
Ip     S(t š')
P (Po)
13
13J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 198J? ► < B ► < i ►   « -Q0-^
Vakuová fyzika 2
16 / 38
600
_ 500
CO
-O 400
©
(8" 300
Diode, Air
10"'  10w 10" 10" Pumping Pressure (Pa)
Pig. 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 Aho, CA 94303.
OHanlon: A Users Gaude to Vacuum Technology, Wiley (2003)
► < = ►
13
5
UUOÉ
í
Obr. 4.135. Čerpací systém s iontovou vývevou (GEC-AE1, Velká Britanie)
; - komora vývěv obsahující sublimační kryovývěvu a iontovou vývěvu; 2 - vakuová
komora (recipient); 3 - agregát tří zeolitových vývěv; 4 - tepelná stínění; 5 - zvedák
recipientu; 6 - okénko; 7 - ventil; 8 - příruby pro připojení vakuometrů, sublimačních
elementů atd.; 9 - tepelný vakuometr; 10 - ventil; 11 - zavzdušňovací ventil;
12 - vakuový rozvod; 13 - skříň se měřícími a ovládacími přístroji
15
15
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
Vakuová fyzika 2
18 / 38
Vr
1Ô5 1Ď6
1Ô7
10
e
1Ô9
001
	1	n	^—i M ť-11
		n	
	\		-H—---— II II if
			l| H |l
			
			
			v
			
0,1       1 ¥    , 1Q 100 dobo čerpaní ?(h)
Obr. 4.136. Čerpací charakteristiky vysokovakuového čerpacího systému skládajícího se ze zeolitových vývěv, vývěvy sublimační a iontové (podle Craiga, 1968) / — zapojení tří zeolitových vývěv; II — 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
16
J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981
►   <        ►   4   = ►
• procesy chemisorpce, difúze do objemu, ionizace a následná implantace iontů, trapping částic
• dobře čerpá H2, H20, A/2, CO, C02, 02
• čerpá i inertní plyny napr. A/e,/\r,...
• 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 / 38
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 / 38
Vypařované getry
Vlastnosti vypařovaných getrů
• nízkou tenzi par (< 10~2 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 / 38
Používané vypařované getry:
• hliník - reaguje jen s kyslíkem
• hořčík - dobře čerpá kyslík, snadněji se vypařuje
• titan
• baryum - nejpoužívanější
• BaTh
• Ba+Sr+C+Ta
• BaAI4
BaAI4 + Ni
BaA-
17
17
Zpravodaj CVS 2/2004
Vakuová fyzika 2
«0 0,0
24 / 38
2 ßa + 02       2 BaO   (92 mbar.l.g-1) 3 Ba + 2 CO ->•   2 ßaO + ßaC2   (107 mbar.l.g-1) 5 ßa + 2 C02       4 ßaO + ßaC2   (67 mbar.l.g-1) 3Ba + N2 ->■   ßa3A/2   (53 mbar.l.g-1) 2Ba + H20^   BaO + BaH2   (80 mbar.l.g-1) Ba + H2        ßaf/2   (173 mbar.l.g-1)
vyparovaní getrů - nejčastěji pomocí vnější vf cívky
vypařování getrů se provádí při co nej nižším 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 / 38
Reference Side at Very High Vacuum
Getter Pump to Maintain Low Reference Pressure
18
18firemni mat. MKS
Vakuová fyzika 2
27 / 38
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
28 / 38
Obrázek 4: ZnázomCní aktivačního procesu
19
19
Zpravodaj CVS 1/2013
Vakuová fyzika 2
29 / 38
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 chemisorbován
vzácné plyny Ar, Xe, ... - nejsou getrem čerpány
Množství sorbovaného plynu Obrázek 3: Závislost sorpční rychlosti na množství sorbovaného plynu
20
20
Zpravodaj CVS 1/2013
Vakuová fyzika 2
«0 Q, O
31 / 38
CO
A
\
Obrázek 5: Reaktivace gelru
Q (torr l/g)
21
21
Zpravodaj CVS 1/2013
Vakuová fyzika 2
-i = ►
32 / 38
Getter strip in LEP collider
Fig. 2. The cross section of the LEP Collider vacuum chamber showing the St 101 NEG strip position.
22
firemní mat. Saes getters
Vakuová fyzika 2
33 / 38
APS
Base mount strip Water cooling -
steel clip
Ceramic insulator
NEG STRIP (Zr-V-Fe alloy)
Beam chamber   Sheathed heater
Slot \
SPring-8
Fig. 3. The cross section of the Argonne APS and the SPring-8 vacuum chambers showing the St 707 NEG strip position.
23
23
firemní mat. Saes getters
co
Obrázek I: Průběh tlaku podél dlouhé trubice v nízkou vodivostí čerpané klasickými vývevami
24
24
Zpravodaj CVS 1/2013
Vakuová fyzika 2
35 / 38
Fig. 8. Typical SORB-AC® Wafer modules based on St 707 NEG strips.
25
firemní mat. Saes getters
Vakuová fyzika 2
36 / 38
Fig. 13. Typical SORB-AC Cartridge NEG pump based on NEG strips (GP family).
26
26
firemní mat. Saes getters
Vakuová fyzika 2
< □ ►
37 / 38
dominantní proces je chemisorpce a difúze do objemu dobře čerpá H2, H20, A/2, CO, C02, 02 nečerpá inertní plyny např. A/e,>4r,...
čistý povrch kovu, aktivace vyšší teplotou, pracuje od ~ 10~4 Pa
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 10"11 Pa
Vakuová fyzika 2
38 / 38