Вакуум в приборостроении
Наиболее широкое применение находит вакуум в приборостроении при создании так называемых электровакуумных приборов, являющихся одним из основных направлений современной электроники.
Электровакуумные приборы — электронные приборы, в которых рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы вакуум-плотной оболочкой (давление остаточных газов в рабочем режиме обычно не превышает 10-4Па). Работа электровакуумных приборов основана на взаимодействии потока электронов, испускаемых катодом, с постоянным и переменным электрическим и магнитным полями. Они служат для различного рода преобразований электромагнитной энергии (генерации, усиления и т.д.).
К электровакуумным приборам относятся:
Широкое применение в науке, технике и промышленности получили вакуумные аналитические приборы: электронные микроскопы, масс-спектрометры и др. Электронные микроскопы, позволяют с помощью пучков электронов, ускоренных до больших энергий (30100 кэВ и более) в условиях высокого вакуума получать многократно (до 106 раз) увеличенное изображение объектов . Различают просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), растровый электронный микроскоп (РЭМ) и смешаный микроскоп (ПРЭМ).
Среди различных типов этих приборов центральное место занимает ПЭМ. В оптической системе типичного ПЭМ с высокой разрешающей способностью создается высокий вакуум (10-4 Па). В конструкцию ПЭМ входят: оптическая система, световой микроскоп, тубус со смотровыми окнами, пульт управления, корпус, источник питания линз, источник высокого напряжения, вакуумная система и высоковольтный кабель. В ПЭМ пучок электронов, испускаемых накаленным катодом, формируется электронной пушкой и затем дважды фокусируется конденсорами. В результате на объекте создается электронное «пятно», диаметр которого можно менять в пределах от 1 до 20 мкм. После прохождения сквозь объект наблюдения часть электронов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой. Нерассеянные электроны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективом в предметной плоскости промежуточной линзы. Здесь образуется первое увеличенное изображение. Последующие линзы создают многократное изображение. Последняя, проекционная, линза формирует изображение на флюоресцирующем экране, который светится под воздействием электронов. При фотографировании экран убирается и электроны воздействуют на светочувствительный слой фотопластинок, расположенных под экраном. ПЭМ, как правило, используется в качестве универсального прибора многоцелевого назначения. В нем можно наблюдать поверхность объекта, осуществлять электронно-графические исследования структуры тонких пленок и др.
В научных исследованиях наибольшее применение получили РЭМ, с помощью которых можно, например, выполнять рентгеновский структурный анализ, исследовать распределение магнитных и электрических полей по поверхности объекта. Основное достоинство РЭМ, в котором магнитная отклоняющая система развертывает зонд (электронный луч) по заданной площади на объекте, — высокая информативность, обусловленная возможностью наблюдать изображение, используя сигналы различных детекторов. Для откачки электронных микроскопов используются диффузионные насосы с азотными ловушками, перспективные турбомолекулярные насосы с магнитными опорами ротора.
Масс-спектрометрические анализаторы остаточных газов (МСАОГ) применяются для получения точных сведений о газовых процессах, протекающих в высоковакуумных системах [3, 4]. Анализаторами остаточных газов служат масс-спектрометры, как не имеющие собственной откачной системы и состоящие из масс-спектрометрического преобразователя и измерительного блока, так и приборы с собственной системой откачки.
Принцип работы всех масс-спектрометрических преобразователей, устанавливаемых непосредственно на испытуемом высоковакуумном объекте, основан на детектировании ионов остаточного газа, число которых пропорционально его концентрации. В масс-спектрометрических преобразователях молекулы анализируемого газа ионизируются в ионном источнике. Образовавшиеся положительные ионы вытягиваются из камер ионизации, фокусируются в параллельный пучок и направляются в масс-спектрометрический анализатор, где под действием электрического или магнитного полей разделяются в пространстве (или во времени) по характерному для них отношению массового числа М к его заряду е. После разделения ионы с определенным М, на которое настроен масс-спектрометр, попадают на коллектор и создают в его цепи силу тока, пропорциональную парциальному давлению соответствующего газа.
В настоящее время наиболее широко применяются квадру-польные масс-спектрометры и масс-спектрометры с магнитным отклонением. В квадрупольном масс-спектрометре разделение ионов осуществляется в поле высокочастотной квадрупольной линзы, образуемой четырьмя параллельными электродами круглого сечения. Многие фирмы выпускают квадрупольные масс-спектрометры с программаторами, предназначенные для контроля технологических процессов. Так, разработанный совместно фирмами Leybold-Heraeus и Inficon квадру-польный масс-спектрометр модели IQ-200 используется как для контроля технологических процессов, так и для анализа состава остаточных газов, для исследования продуктов газовыделения. Принцип действия масс-спектрометра с магнитным отклонением основан на разделении моноэнергетического пучка ионов в однородном поперечном магнитном поле, масс-спектрометры используются так же как течеи-скатели.
Широкое распространение в науке, технике и промышленности получили вакуумные аналитические приборы для анализа поверхности твердого тела (ПАПТТ). ПАПТТ (спектрометры) предназначены для изучения таких процессов, как адсорбция, катализ, коррозия и окисление металлов, трение и износ, разрушение материалов и пр. Типичный спектрометр для анализа поверхности состоит из вакуумной камеры, которая включает в себя образец, источник возбуждения эмиссии электронов, источник фотонов, источник рентгеновских лучей, источник ионов, анализатор масс или энергий, детектор.
Кроме этого, данное оборудование оснащают устройствами для скола образца в вакууме с целью получения атомно-чистой поверхности. Как правило, спектрометры снабжены многоступенчатыми средствами откачки с предельным вакуумом 10-8-10-9Па. Наибольшее распространение получило ПАПТТ на основе методов электронной и ионной спектроскопии.
К методам электронной спектроскопии относятся методы, в которых эмитируемыми частицами являются электроны, а зондирующими — электроны, фотоны и ионы. К методам ионной спектроскопии относятся методы, в которых вторичными частицами являются ионы. К наиболее распространенным методам электронной спектроскопии относятся Оже-электронная спектроскопия, рентгеновская и УФ-фотоэлектронная спектроскопия, спектроскопия энергетических потерь электронов, к методам ионной спектроскопии — вторичная ионная масс-спектрометрия, спектроскопия ионного рассеяния, спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния.
Среди серийно выпускаемого ПАПТТ в нашей стране можно отметить Оже-злектронный спектрометр модели 09ИОС-2 и вторичный ионный масс-спектрометр Полюс-4. Конструктивно Оже-электронный спектрометр состоит из аналитической вакуумной камеры с размещенным в ней анализатором энергий Оже-электронов, источниками электронов и ионов и манипулятором с образцом, а также предварительной камеры для смены и обработки образцов. Обе камеры имеют независимую откачку и позволяют получать предельный вакуум 10-8 и 10-5 Па. Вторичный ионный масс-спектрометр Полюс-4 предназначен для экспрессного послойного анализа химического состава твердого тела и определения профилей распределения примесей по глубине стравливаемого слоя с разрешением до 3-10-9м. В Полюсе-4 применен монополярный масс-анализатор квадрупольного типа, благодаря использованию которого можно одновременно проводить сравнительный анализ: образец-эталон в идентичных условиях. В спектрометре имеются два ионных газоразрядных источника типа Пеннинга, в которых в качестве рабочих газов используются Аг, Н2, 02. Аналитическая камера Полюса-4 откачивается механическим вакуумным насосом и ТМН. Рабочий вакуум составляет 10-4 — 10-5 Па.