Обоснование использования высокого и сверхвысокого вакуума в спектроскопических методах. Вакуумные насосы и системы спектрометров.

Спектроскопические методы анализа поверхности получили развитие только к середине 60-х годов в связи с началом производства необходимых сверхвысоковакуумных (СВВ) компонентов для спектроскопических установок. Для всех методов изучения состава поверхности на атомном уровне необходимо поддерживать постоянство состава во время эксперимента, чувствительность к поверхностным загрязнениям любого рода очень высокая. Это значит, что вакуумная система спектрометров должна понижать парциальное давление активных газов до уровня, при котором они не загрязняли бы поверхность образца и не мешали бы исследованиям. Помимо этого средняя длина свободного пробега регистрируемых частиц должна быть намного больше внутренних размеров спектрометра, чтобы они не претерпевали рассеяния и не были утрачены для анализа. Второе требование само по себе не накладывает строгих ограничений на рабочий вакуум, так как оно удовлетворяется уже при давлениях порядка 10^-7 - 10^-8 Па (это приблизительно 10^-5 - 10^-6 мм рт. ст.).

В большинстве современных исследований с помощью спектроскопических методов предъявляются высокие требования к поверхности, которая должна иметь хорошо известные свойства, то есть находиться во время эксперимента в стабильном состоянии. Поскольку очень малые количества загрязнений могут существенно воздействовать на ход эксперимента, необходимо работать в условиях, когда скорость накопления загрязнений пренебрежимо мала по сравнению со скоростью протекания процессов, обусловливающих изменение состояния поверхности в ходе эксперимента. Основным источником загрязнений в вакуумной системе является остаточный газ. Из молекулярно-кинетической теории газов число частиц n_s , ударяющихся о поверхность в 1 см² за 1 с, определяется соотношением:

, (1.1)

где N – число молекул газа в 1 см³; – средняя тепловая скорость.

, (1.2)

где R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура; М – молекулярный вес; р – давление газа в торрах. Единицей давления, которая используется чаще других, является торр, названа в честь Торричелли. 1 торр = 1/760 атм. Шкала приборов для измерения давления обычно градуируются в торрах. В настоящее время международной единицей давления является Паскаль (Па). 1 Па = 7,50064×10^-3 торр; 1 торр =133,322 Па.

Если считать, что монослой содержит 3×10¹⁴ частиц/см², средний молекулярный вес М = 28, а Т = 300 К, то из (1.2) получим

. (1.3)

Это означает, что при давлении 10^-6 торр каждую секунду на поверхность попадает число молекул, достаточное для образования монослоя. Время (t_м), за которое поверхность покроется монослоем, зависит от коэффициента прилипания (S), то есть вероятности адсорбции падающих молекул на исследуемой поверхности:

. (1.4)

Коэффициенты прилипания могут меняться от 10⁰ до 10^-10 и менее. Чтобы t_м было равно 1 ч (время, необходимое для проведения эксперимента с чистой поверхностью), при S=1 давление остаточных газов должно быть 10^-10 торр. Таким образом, для изучения свойств поверхностей на атомном уровне необходим сверхвысокий вакуум.

Спектроскопические установки обычно имеют вакуумную систему, сочетающую два вакуумных насоса: высоковакуумный, использующийся в качестве насоса предварительного разряжения в камере загрузки образца, и сверхвысоковакуумный в исследовательской камере. Наличие разделяющего клапана между ними позволяет постоянно поддерживать вакуум в камере на рабочем уровне.

К высоковакуумным насосам относят молекулярные и турбомолекулярные, создающие давление Р≈10^-4 – 10^-6 Па. Особенностью высоковакуумных насосов является постоянство быстроты действия в широком диапазоне рабочих давлений. Турбомолекулярные насосы предназначены для работы в области высокого и сверхвысокого вакуума (от 10^-2 до 10^-8 Па). Но на практике они как сверхвысоковакуумные не используются, так как регулярная откачка в этих пределах связана со слишком большой нагрузкой на насос, поэтому требуется газы из рабочей камеры предварительно откачивать обычным электромеханическим насосом. Принцип действия турбомолекулярных насосов основан на сообщении молекулам откачиваемого газа дополнительной скорости в направлении их движения вращающимся ротором, состоящим из системы дисков. По сравнению с молекулярными насосами они более надежны в эксплуатации и, главное, имеют значительно более высокую быстроту откачки. Турбомолекулярные насосы начинают работать сразу же после пуска и не ухудшают своих характеристик от прорывов атмосферного воздуха. Они не нуждаются в ловушках и экранах, откачивают любой газ, но эффективность откачки уменьшается пропорционально молекулярному весу газа, таким образом, при откачке гелия и водорода остаточный газ в рабочей камере будет в основном состоять из этих газов. Единственными ограничениями на природу откачиваемого газа - это либо возможная реакция со смазочным маслом с низковакуумной стороны насоса, либо возможная коррозия вращающихся лопастей. В обычной практике ни одна из этих возможностей не вызывает никаких осложнений.

К сверхвысоковакуумным насосам относят диффузионные, магниторазрядные, геттерно-ионные, конденсационные (или криогенные) насосы, а также различные их модификации (Р≈10^-7 – 10^-12 Па). Для увеличения скорости откачки в некоторых случаях в качестве дополнительных применяются титановые сублимационные вакуумные насосы.

Диффузионный вакуумный насос по принципу действия относится к струйным насосам. Диапазон рабочего давления зависит от используемого масла. Хотя сами диффузионные насосы относительно дешевы, надежны, способны откачивать любой газ и могут работать в течение длительного времени, они нуждаются в эффективных ловушках с жидким азотом, весьма дорогих.

Магниторазрядный или магнитный электроразрядный геттерно-ионный испарительный вакуумный насос иначе называют ионно-сорбционным (гетеросорбционным), а по западной терминологии – ионным. Работа геттерно-ионного насоса основана на поглощении молекул и атомов газа и последующем их удержании в объеме насоса. Часть молекул газа, находящихся внутри насоса, подвергается ионизации, после чего они взаимодействуют с геттерным материалом, распыляя его при высоковольтном разряде в магнитном поле. Данный материал вступает в химическую реакцию с активными газами, образуя устойчивые соединения, которые оседают на внутренних стенках насоса. Геттер, обычно титан, представляет собой нейтральную пластину или электрод. Геттерно-ионные насосы широко применяются для создания ультра высокого вакуума благодаря тому, что они не загрязняют откачиваемый объем, способны откачивать любые газы, не требуют обслуживания во время работы, не создают вибраций, абсолютно бесшумны и очень надежны. Они не используют жидкостей, не нуждаются в охлаждении водой или жидким азотом, не требуют большой мощности, соединяются непосредственно с откачиваемым объемом без переходных ловушек. Они приводятся в действие щелчком выключателя, им не нужен долгий прогрев и столь же просто они могут быть выключены. Хотя эти насосы довольно дорогие, к ним требуется блок управления, они не нуждаются ни в каких дополнительных частях и затратах на охлаждение. Длительное время эксплуатации, возможность измерять давление в системе по разрядному току – другие преимущества этих насосов. В качестве единственного, основного, СВВ насоса ионные насосы не используют, так как в этом случае у них проявляется ряд существенных недостатков. Для них является важным, что откачивать и в каком количестве. Пока идет откачка обычных составляющих остаточного газа, таких, как азот, кислород и углекислый газ, проблем не возникает. Однако при откачке ионными насосами гелия происходит диффузия этого газа в титановый катод, что может вызвать образование трещин в катоде. То же относится и к водороду, к тому же титан образует ряд твердых растворов и соединений с водородом, в результате длительной откачки водорода может произойти разложение катодов. Более того, поскольку пары воды откачиваются в результате диссоциации молекул воды на водород и ион гидроксила в разрядном промежутке насоса с последующим взаимодействием продуктов реакции с титаном, то длительная откачка водяного пара при высоком давлении последнего даст тот же эффект, что и откачка водорода.

Конденсационные или криогенные насосы также используют в качестве последующих ступеней в сверхвысоковакуумных установках. Они обладают высокой скоростью откачки, но их криопанели (охлаждаемые поверхности криогенных насосов для вымораживания газов) имеют ограниченную емкость и периодически их нужно отогревать, чтобы освободиться от намерзшего газа.