Рассмотрим основные типы высоковакуумных систем, построенных на базе следующих насосов: диффузионных; турбомолекулярных; испарительно-ионных; магнитных электроразрядных (магниторазрядных); криогенных.

Все высоковакуумные насосы работают в области давлений ниже 1*10 Па. Для их запуска необходима предварительная откачка.

Диффузионные и турбомолекулярные насосы относятся ч газоперекачивающим насосам Они сжимают откачиваемый газ до определенного давления, а форвакуумный насос (обычно вращательного типа) , присоединенный к выходному фланцу этих насосов, дожимает газ до атмосферного давления и выбрасывает его в атмосферу.

Механизм откачки криогенных насосов состоит в конденсации и криосорбции газа на холодных поверхностях. Эти насосы требуют периодической регенерации, т. е нагрева панелей до комнатной температуры при которой сконденсировавшийся газ выделяется и удаляется. Ионные насосы откачивают газы за счет образования устойчивых химических соединений с распыляемым титаном или "замуровывания" молекул газа под слоем распыленного титана.

В испарительных гетерно-ионных насосах активные газы связываются титаном, распыляемые о нагретой проволоки инертные газы и насыщенные углеводороды этими насосами не откачиваются.

1 Быстрота действия насосов. Диффузионные и туроомолекулярные вакуумные насосы имеют на характеристике (зависимости быстроты действия S от входного давления Pвх) область постоянной быстроты действия - "плато".

Быстрота действия магниторазрядных насосов зависит от характеристик разряда и скорости распыления титана. Быстрота откачки по азоту мала при высоких и низких давлениях и является максимальной в диапазоне 5.10^-4 - 1.10^-4 Па.

Для криогенных насосов не строят характеристики S = f (Pвx) (на рис.2.1 показана условно), а составляют таблицы для разных газов. Скорость откачки у них зависит от температуры криопанелей и степени их заполнения. В каждый данный момент времени давление более всего зависит от возможности сорбирования молекул водорода

Предельное остаточное давление. Эта характеристика используется для сравнения различных типов вакуумных насосов. В качестве паспортной характеристики предельного остаточного давления приводят давление, полученное во время испытаний вакуумного насоса на испытательном стенде в определенных условиях

Возможно достижение предельного остаточного давления с прогревом и без прогрева. В сверхвысоковакуумных системах в процессе прогрева производится обезгаживание поверхностей, находящихся под вакуумом, в результате чего уменьшается газовыделение в рабочих условиях и можно получить более низкое рабочее давление.

В прогреваемых сверхвысоковакуумных системах с различными насосами можно получить: диффузионный насос- 7.10^-7Па (с испарительно-ионным насосом 7.10^-9Па); турбомолекулярный насос - 1^.10^-7Па (с форвакуумным двухступенчатым насосом с масляным уплотнением), а с испарительно- ионным насосом 10^-8 Па, криогенный насос - 10^-7 Па (с испарительно-ионным насосом 5^.10^-8 Па).

Рабочее давление вакуумного насоса - это такое давление,при котором использование насоса наиболее эффективно. На рис.2.1 эти давления находятся в области "плато" характеристики.

Время откачки от давления запуска до 10^-4 Па. Этот параметр важен для технологических процессов с малым временем цикла. Диффузионный и турбомолекулярный насосы так же хорошо справляются с большими потоками, как и криогенный насос. Но криогенный насос надо беречь от быстрого насыщения. В случае напуска аргона в вакуумную камеру напылительной установки необходимо предусмотреть дросселирующий клапан для предотвращения быстрого насыщения насоса и для экономии аргона,

Магниторазрядный насос не рекомендуется использовать для работы с большими потоками:максимальное рабочее давление его не должно превышать 10^-5 Па. Время запуска (откачки от 1 до 10^-2 Па) обычно больше 30 минут и зависит от состояния и предыстории насоса. 

Состав остаточной среды в большой степени зависит от селективности откачки насоса (т е. иэбирательности откачки насосом различных газов) и от "памяти" насоса по различным газам.

Как известно, диффузионные и турбомолекулярные насосы в основном неселективны, т е откачивает все газы одинаково хорошо. Криогенные насосы также откачивают вое газы, но в случае гелия и водорода большую роль играет температура криопанели и свободные "места" для конденсации этих молекул. Магниторазрядные насосы обнаруживают селективность откачки, их быстрота откачки зависит от химической природы и состава откачиваемого газа: химически активные газы (азот,кислород, оксиды углерода) поглощаются, образуя с титаном устойчивые соединения; тяжелые инертные газы (аргон, ксенон, криптон) "замуровываются" под слоем распыленного титана; легкие инертные газы (гелий и неон) легко диффундируют через слой титана в обе стороны; водород диффундирует в титановый катод, образуя твердый раствор,но легко освобождается при нагревании; метан образуется в насосе на поверхности титана и откачивается после диссоциации в разряде.

В случае смесей водород-аргон даже небольшая концентрация аргона способствует обильному распылению гитана, а водород образует с титаном гидрид титана; образовавшийся в насосе на поверхности титана метан откачивается после диссоциации в разряде.

Несколько слов о составе откачиваемых газов. Обычно это смесь; состоящая в основном из паров воды, водорода, оксидов углерода. Все насосы справляются с ней хорошо. В случае же проведения определенных технологических процессов это может быть водород, водяной пар, углеводороды или оксид углерода.

Наиболее универсальными являются диффузионный и турбомолекулярный насосы; магниторазрядные насосы наименее универсальны, и их лучше не использовать для откачки инертных газов и углеводородов; криогенные насосы плохо откачивают водород и гелий.

У диффузионных и турбомолекулярных насосов, являющихся газоперекачивающими, в отличие от магниторазрядных нет "памяти" по газам. При работе магниторазрядных насосов ионы остаточного газа проникают в катод, а при последующем распылении выделяются. В процессе нагревания катода освобождаются растворенные там водород, гелий и неон

Криогенные насосы имеют "память", Отличную от "памяти" магниторазрядных насосов. У них уменьшается скорость откачки по водороду по мере заполнения криопанели, а в случае аварии все сконденсировавшиеся газы испаряются с панели, температура которой повышается.

Чистый вакуум. Такое требование, как правило, предъявляется к проведению технологического процесса. Это означает отсутствие углеводородных загрязнений и отсутствие в масс-спектре значительных пиков с массовыми числами более чем 48 а.е.м.

В геттерно-ионных и криогенных насосах нет конструкционных материалов, содержащих углеводороды. Поэтому они не загрязняют рабочую камеру ни во время стабильной работы, ни при запуске, ни при аварии.

Турбомолекулярные насосы (TMH) со смазываемыми подшипниками не вносят углеводородных загрязнений во время работы,при правильном отсечении насоса и при правильных действиях в случае аварийного прорыва воздуха. Во время работы TMH лопатки вращающегося ротора сами являются динамической ловушкой для тяжелых молекул углеводородов, стремящихся проникнуть в рабочую камеру. Поэтому нельзя оставлять TMH после выключения под вакуумом, гак как при неподвижном роторе углеводороды свободно проникают в рабочую камеру; надо осторожно напустить сухой воздух на вход ТМН. В случае кратковременного отключения электроэнергии можно не производить напуска воздуха в ТМН, пока скорость ротора не уменьшится в 2 раза по сравнению с рабочей, а в вакууме это займет значительнее время. Если в течение этого времени подача электроэнергии возобновится, тогда насос можно запустить без сложностей, вызываемых напуском воздуха.

Обратный поток из диффузионных насосов, механизм проникновения молекул в рабочую камеру и факторы, Здесь можно отметить, что при правильно организованной работе с диффузионным насосом, установке ловушек и подборе соответствующей рабочей жидкости, углеводородное загрязнение рабочей камеры очень мало; для образования монослоя может потребоваться от месяца до года Если же при работе насоса произошел "прорыв атмосферы" (попадание атмосферного воздуха в uacoc), то в зависимости от марки используемой вакуумной рабочей жидкости могут потребоваться чистка насоса и замена рабочей жидкости

Обратный поток из механических насосов с масляным уплотнением можно подавить,создав в трубопроводе на входе в насос вязкостный режим течения газа. Поэтому предварительную откачку этими насосами рекомендуется прекращать при 10^-15 Па. Если же требуются более низкие давления, то над насосом устанавливают ловушку.