Электронные преобразователи. Принцип действия, конструкция, особенности работы.

Электронные преобразователи. Принцип действия, конструкция, особенности работы.

В электронных манометрах для ионизации молекул и атомов остаточных газов в рабочее пространство преобразователя инжектируются ионы с энергиями, превышающими потенциал ионизации (50эВ). При столкновении электрона с молекулами газа они ионизируются. Образующиеся положительные ионы ускоряются в направлении к коллектору. Число положительных ионов, появляющихся в результате столкновений, пропорционально плотности газа n и, следовательно, давлению Р. Сущ. 2 схемы электронных преобразователей: с внутренним и внешним коллектором.

 Схема с внутренним коллектором аналогична обычному триоду. Коллектором ионов является сетка, на которую относительно катода подается отрицательное напряжение 100..200В. Электроны на пути от катода к аноду соударяются с молекулами остаточных газов, и образовавшиеся положительные ионы попадают на сетку, создавая ионный ток, измеряемый гальванометром.

В схеме с внешним коллектором потенциалы сетки и анода меняются местами, и коллектором становится анод. Электроны, летящие от катода к сетке, совершают вокруг её витков ряд колебаний, что увеличивает длину траектории электронов и повышает вероятность ионизации молекул остаточных газов. Это делает схему более чувствительной. Область измерения давлений электронными ионизационными маноматерами 10 – 10^-8Па.

Ионизационный электронный преобразователь предст. собой стеклянную колбу с расположенными в ней коллектором ионов, сеткой, катодом. Электроны, эмитируемые катодом, нагретым электрич.током, ускоряются в направлении сетки, и большая часть их пролетает сквозь неё. В пространстве между сеткой и коллектором электроны попадают в тормозящее электрическое поле и их движение реверсируется. В результате электроны совершают колебательные движения до тех пор, пока не попадут на сетку. На своем пути они тсалкиваются с атомами остаточных газов и ионизируют их, создавая при этом пару электро-ион. Положительно заряженным ион устремляется к коллектору, создавая ток. Этот ионный ток пропорционален давлению, в случае, если электронный ток постоянен. Показания ЭП зависят от рода газа.

Нижний предел измерения ЭИП опред-ся фоновыми токами в цепи коллектора, не зависящими от давления, кот.появляются из-за эмиссии фотоэлектронов в результате мягкого рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов и ультрафиолетового накаленного катода.

Верхний предел опред-ся длиной свободного пробега электрона в объеме прибора, она становится меньше пути электрона между электродами, нарушается линейная зависимость тока от давления, так как заметную роль в ионизации газа начинают играть вторичные электроны.

 

Основы конструирования вакуумных систем. Принципиальная схема средневакуумной установки.

1 – тепловой датчик, 2 – ионизационный датчик, 3 – бапасный клапан, 4 – высоковакуумный затвор, 5 – ионизационный датчик, 6 – диффузионный насос, 7 – форвакуумный клапан, 8 – форвакуумный насос.

Порядок включения установки:

 1. исходное состояние: электрич, охлаждение, водоснабжение, сжатый воздух отключен, вакуумная камера откачана.

2. вкл. электрич. сеть.

3. вкл. систему охлаждения.

4. вкл. сжатый воздух.

5. вкл. форвакуумный насос. При этом клапан 9 должен закрыться. Контролируем работу насоса по манометры 10. (около 5 Па).

 6. Открываем форвакуумный клапан 7.

7. напускаем воздух в камеру.

8. направляем воздух в камеру.

9. Закрываем камеру и клапан 7.

10. открываем байпасный клапан 3.

11. откачали.

12. закрываем байпасный клапан 3.

13. открываем форвакуумный клапан 7.

14. Давление в камере регулируется по тепл. манометру.

15. вкл. ионизационный преобразователь 2. И камера откач-ся до рабочего давления.

После окончания тех. процесса ионизационный преобразователь выключается, закрывается высоковакуумный затвор.перед открытием камеры в систему охладения камеры подается гор. вода. Ловушку шевронного типа подключают к холодильному агрегату.

Рис. – вакуумная система для получения среднего вакуума.

 

 

Требования к герметичности вакуумных систем. Характеристика основных методов течеискания.

Методы течеискания:

Опрессовка – применяется для проверки отдельных элементов вакуумных систем. В испытуемом объекте создается избыточное давление воздуха, а объект погружается в жидкость или места предполагаемой течи смачиваются мыльным раствором.место течи совпадает с местом образования пузырьков. Диаметр пузырька в месте его образования равен диаметру капилляра. Чувствительность метода можно повысить, если использовать газы, с меньшей, чем у воздуха, вязкостью.

При люминисцентном методе используется свойство раствора люминофора проникать в капиллярные течи. Проверяемый объект длительное время выдерживают в растворе люминофора. После удаления люминофора с поверхности объекта заполненные капилляры легко обнаруживаются в виде точек или полос при облучении ртутно-кварцевыми лампами.

Метод высокочастотного разряда (искровой) заключается в том, что при приближении электрода высокочастотного трансформатора к месту течи образуется направленный разряд. Появление разряда связано с понижением давления воздуха в месте течи и улучшением условий электрического пробоя газового промежутка.

Вакууметрический метод основан на изменении выходного сигнала манометрического преобразователя при проникновении пробного вещества через течь. В кач-ве пробного вещества применяют пары или газы, которые по сравнению с воздухом обладают значительно большей или значительно меньшей теплопроводностью либо имеют отличный от воздуха потенциал ионизации. Н-р, пары ацетона, спирта, эфира, газы: гелий,аргон,водород и др.

Галогенный метод основан на изменении эмиссии ионов нагретой металлической поверхности при попадании на неё пробного вещества, содержащего галогены. Используется для поиска негерметичных мест в больших объемах или в системах с разветвленным трубопроводом.

Масс-спекрометрический метод является самым чувствительным. Метод используется для поиска весьма малых течей в высоковакуумных и сверхвакуумных системах. В качестве пробного газа используется гелий.

 

18. Вакуумметрический метод поиска течей.

Вакуумметрические методы основаны на измерении давления остаточной среды либо отдельных компонентов (пробных газов) в вакуумируемом объеме. В простейшем случае для этой цели служат различные манометрические датчики, которыми комплектуются стандартные вакуумметры: тепловые, ионизационные, магнитные электроразрядные, мембранно-емкостные. Чаще всего используют те, которые входят в состав обследуемого вакуумного поста. В более сложных случаях к вакуумной системе откачных постов подключают датчики, входящие в состав специальных приборов (течеискателей): гелиевые, водородные, галогенные, гелиевые масс-спектрометрические. Применение внешнего по отношению к проверяемому объекту прибора может быть оправдано только в том случае, если искомая течь меньше, чем чувствительность штатного средства измерения.

 

Материалы вакуумных систем. Требования к ним.

Требования: 1) упругость паров газов, при рабоч. темпер., должна быть ниже Р_раб;

2) газовыделения при рабочем давлении и темпер.должны быть минимальными;

3) газопроницаемость д. б. минимальна;

4) коррозионная стойкость;

5) отсутствие ползучести.

Чугун: использ-ся только мелкозернистый(например СЧ14). Применяется для изготовления корпусных деталей.

Полимеры: Полиэтилен – из них изготавливают трубы.

Вакуумная резина: Чорная и белая. Белая – немаслостойкая, но эластичная, малое газовыделение. Чорная – худшая эластичность, большоегазовыдел-е, но маслостойкие.

 

 

Методы накачки лазеров

Создание в активном в-ве инверсии населенности производится разными способами. Чаще всего используют воздействие на в-во электромагн. излучения (оптич. накачка), электрич. разряда, пучка электронов с энергией от неск. десятков эВ до МэВ (электронный удар), высокотемпературный нагрев в-ва с послед.быстрым охлаждением (тепловая накачка), экзотермич. хим. р-ции в в-ве, инжекцию носителей заряда в область р-n - перехода в полупроводнике под действием электрич. поля. Рассмотрим нек-рые способы накачки.

Оптич. накачку осуществляют чаще всего с помощью газоразрядных ламп в импульсном или непрерывном режимах работы. Поскольку их излучение имеет широкий спектр, в качестве активной среды необходимо применять материалы с широкими полосами поглощения. Однако с ростом ширины спектральной линии уменьшается сечение, а и потому трудно достичь пороговых значений N_П. Задачу решают для разл. активных сред по-разному. Рассмотрим, напр., схему накачки рубинового лазера, в котор. для создания инверсной населенности используют энергетич. уровни иона Сr³⁺, внедренного в решетку корунда -Аl₂О₃. В результате поглощения излучения h v ₃₁ широкополосной газоразрядной лампы ионы Cr³⁺ переводятся из основного состояния в возбужденное состояние, представляющее собой довольно широкую полосу энергетич. уровней. Затем сравнительно быстро происходит передача части энергии возбуждения решетке кристалла и безызлучат. переход Сr³⁺ в состояние, из к-рого самопроизвольный переход в основное состояние происходит сравнительно медленно.

Электронный удар применяют в осн. для накачки газовых Л. Накачка основана на возбуждении атома при его соударении с электроном, обладающим достаточно большой кинетич. Энергией. Электронный удар применяют также для накачки СО₂-и СО-лазеров, Л. на парах металлов, а также нек-рых полупроводниковых Л. Тепловая накачка Л. происходит при быстром охлаждении сильно нагретых газовых смесей. При надлежащем подборе компонентов смеси удается найти такие системы энергетич. уровней частиц, в к-рых нижележащие уровни "охлаждаются" (опустошаются) быстрее, чем вышележащие. Это приводит к образованию инверсной населенности. Практически наиб.удобный способ охлаждения - сверхзвуковое истечение газов через сопло; Л. с тепловой накачкой на этих активных средах наз. тепловыми газодинамич. Л.

Инжекция носителей тока через p-n-переход - осн. способ накачки полупроводниковых Л. Активная среда представляет собой кристалл-полупроводник, состоящий из областей р - и n-типа.

 

Режимы работы лазеров

Если в процессе работы лазера параметры резонатора остаются неизменными, лазер работает в так называемом "режиме свободных колебаний". Очевидно, что в этом случае при стационарной накачке лазер будет работать в непрерывном режиме, при импульсной накачке - в импульсном. Достоинством непрерывного режима является то, что в этом режиме наиболее полно реализуются такие свойства лазеров, как монохроматичность, когерентность, направленность и низкий уровень шумов излучения.

В импульсном режиме в активную среду может быть введена значительно более высокая мощность накачки и соответственно получены большие мощности генерации. Кроме того, в импульсном режиме за счет переходных процессов может быть получена инверсия и генерация на таких переходах, где в стационарном режиме инверсия достигнута быть не может.

 

33.Механизм преобразования энергии лазерного излучения в тепловую в металлах. Физические процессы происходящие при воздействии лазерным излучением на металлы.

Процесс взаимодействия лаз изс веществами можно разделить на стадии: поглощение света, передача энергии света тепловым колебании решетки, нагрев материала, плавления, разрушение путем испарения и выбросом расплава, остывание. Поглощение тепла выполняется з-н интенсивности излучения на глубину интенсивности.(формулы). Для многих ме А маленькое. Механизм передачи энергии зависит от родов материалов. В ме может происходить целый ряд элем процессов: электро-фотонное взаимодействия частота 10⁴…10⁹ Гц, электрон-электрон 10¹⁴Гц, электрон-ионные 10¹¹Гц, ион-ионные 10¹³Гц. В начале разогреваются электроны проводимости время разогрева 10^-14с. При этом решетка еще не разогрелась при времени 10^-11с электроны передают энергию ионом температура электронов и ионов решетки вырываются. скорость ме ограничивается только скоростью ввода эн света излучения. Нагрев в начале размер прогретой области опре-ся только толщина скинслоя. Величина скимслоя небольшая. Тепло распространяется засчет тепло проводимости. Испарение области существование различ технологических процессов. Зона термообработки, зона бесплавления, малая глубина плавления, плавление без испарения, зона сварки, большая зона прогрева, испарение, пробивка отверстия, резка, удаление материала, образования плазмы. 10⁴-10⁵ Вт/см²(нагрев материала),10⁵-10⁶ Вт/см² плавление без выброса, 10⁶-10⁷ Вт/см²нагрев с удалением вещества,10⁷-10⁸ Вт/см²лазер плазма, 10¹⁶ развивается плазм процессов для получения высоко термической плазмы

34.Оборудование для получения, формирования и ускорения ионных пучков Для получения, формирования и ускорения до необходимых энергий ионных пучков легирующих веществ, а также для размещения обрабатываемых подложек используются ионно-лучевые установки.В зависимости от требуемой дозы легирования (количества ионов внедряемого вещества, ударяющегося о единицу поверхности подложки) и энергии ионов разработано несколько типов установок ионной имплантации: больших, средних и малых доз, сильно- и слаботочных, высокоэнергетических.Существуют установки ионной имплантации, различающиеся по способам сканирования ионного пучка по подложке. Применяется механическое перемещение подложек относительно неподвижного ионного пучка. В этом случае отпадает необходимость в системах магнитного или электростатического сканирования ионного пучка. По такому принципу построены, как правило, высокоэнергетические установки.Сильноточные установки предпочтительнее создавать с комбинированным сканированием: электростатическим ионного пучка с одновременным перемещением подложек.Для достижения хорошей воспроизводимости параметров имплантированных слоев от подложки к подложке и от партии к партии подложек при высокой плотности ионного тока используется индивидуальный метод обработки неподвижной пластины. При этом сфокусированный ионный пучок сканирует по всей поверхности подложки, а к системе электростатического сканирования предъявляются повышенные требования с точки зрения стабильности формы пучка и траектории его перемещения.В установках ионной имплантации применяются источники ионов, различающиеся по принципу образования одно- и многозарядных ионов. Последние используются в высокоэнергетических системах. Существуют источники образования ионов электронным или ионным ударом, в результате термического воздействия или химической реакции, дуговым разрядом в парах рабочего вещества или лазерным излучением, а также газоразрядные, плазменные и высокочастотные источники ионов. Назначением каждого источника является эффективное сообщение нейтральным атомам и молекулам вещества количества энергии, достаточного для отрыва внешних электронов. В результате ионизации в источнике устанавливается определенная концентрация заряженных частиц, вытягивание которых и формирование в пучок требуемого сечения является назначением ионно-оптической системы. Системы ускорения ионного пучка бывают двух типов: с одиночным зазором между двумя электродами (используются для сообщения ионам энергии до 40...100 кэВ) и с многозазорными ускорительными секциями, на каждой из которых ионы получают энергию по 15...20 кэВ (используются в установках с высокими, до 1 МэВ и более энергиями ионов).Фокусировку пучка до определенного сечения можно осуществить как электростатическим, так и магнитным полем. Фокусирующие линзы могут быть в виде полых цилиндров, диафрагм с отверстиями или электромагнитных катушек.Применяемые в установках ионной имплантации устройства сканирования пучка используются для центрирования движения пучка в ионно-оптической системе, направления пучка на определенный участок, сканирования пучка по подложке. При этом не должна нарушаться фокусировка пучка, система отклонения должна иметь достаточную чувствительность и малую инерционность. Одним из главных преимуществ процесса ионной имплантации является возможность точного контроля дозы внедряемой примеси. При этом измеряется как общее количество ионов, попадающих на мишень, так и равномерность их распределения по поверхности пластины.

35. Ионные источники с поверхностной термической ионизацией. П. и. перспективна для разработки плазменных двигателей, а также лежит в основе мн. методов изучения физ.-хим. хар-к поверхностей тв. тел и взаимодействующих с ними ч-ц.ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОНИЗАЦИЯ - образованиеионов в процессе термич. десорбции частиц с поверхности твёрдого тела. <Путём П. и. могут образовываться положительные и отрицат. ионы (последние, <если частица обладает сродством к электрону)атомов, молекул. П. и. - термически равновесный процесс, испарившиеся частицыимеютбольцмановское распределение по энергии с темп-рой Т распределения, <равной темп-ре твёрдого тела.Наиболее простым по конструкции является источник с поверхностной термической ионизацией. Принцип его действия основан 'на явлении поверхностной ионизации, когда адсорбирующиеся на разогретой по­верхности атомы, имеющие меньший потенциал ионизации, чем работа выхода электронов из адсорбента, отдают ему свой внешний электрон. После этого адсорбированные атомы могут покинуть поверхность уже в виде положительных ионов. При отсутствии влияния внешнего электрического поля, согласно правилу Саха — Ленгмюра, зависимость степени ионизации α⁺ от температуры Т, потенциала ионизации I_н адсорбированных атомов и работа выхода металла ионизатора еφ имеет следующий вид:где N+ — число ионов; N₀ — число атомов, десорбирующихся с поверхности без ионизации; А — константа, характеризующая отношение статических весов ионного и атомного состояний.Конструкция такого источника может состоять из прямонакального вольфрамового керна, выполненного из ленты. На ленту помещают запас щелочного металла или соединения его в виде соли. Обычно на поверхности ионизатора наносят галоидную соль щелочного или щелочно-земельного металла, например КI, NaCl, СаСl₂ и др. Источники позволяют получить с помощью дополнительного вытягивающего электрода потоки положительных ионов Nа+, Сs+, Rb+, К⁺, Li⁺, а также потоки отрицательных ионов I^-, F^-, Br^-, С1^-.Ионные потоки характеризуются очень малым энер­гетическим разбросом ионов (0,1—0,3 эВ), отсутствием многозарядных ионов, относительной чистотой состава. Однако общие токи сравнительно невелики. Плотность ионных токов не превышает 10^-4—10^-3 А/см².

 

1. Какие рабочие жидкости используются в пароструйных насосах?

В качестве рабочей жидкости в диффузионных насосах используют ртуть (Р-1; Р-2), минеральные масла (ВМ-1; ВМ-5), синтетические масла на основе сложных эфиров, кремнийорганические жидкости (ВКЖ-94; ПФМС-2). Ртуть не окисляется и не разлагается при высоких температурах. Но токсичный, химически активный к цветным металлам. Эфиры имеют высокую термоокислительную стойкость. Давление насыщенных паров 10^-9 Па. Очень дорогостоящие. Кремнийорганические жидкости имеют высокую термоокислительную стойкость и низкую температуру упругих паров 10^-5 Па. Минеральные масла низкая упругость паров 10^-6 Па и термоокислительная стойкость не высокая. Для нормальной ра­боты диффузионного насоса требу­ется определенная мощность подог­ревателя.

 

2. Каково назначение вакуумных ловушек?

Вакуумные ловушки - это устройства, служащие для предотвращения проникновения паров рабочих жидкостей в рабочую камеру. В зависимости от рабочего давления ловушки подразделяются на форвакуумные и высоковакуумные, от принципа действия - на механические, конденсационные, сорбционные и электрические.

Одной из таких ловушек является ловушка шевронного типа. Ее конструкция имеет такой вид, что бы молекула, двигаясь через нее обязательно касалось ее поверхности. Сама ловушка охлаждается жидким азотом или водой. Рабочая жидкость находится в парообразном состоянии, касается ее и конденсируется на поверхности ее стенки, и опять становится жидкостью и стекает в низ. Назначением является предотвращение проникновение рабочей жидкости в вакуумную камеру.

 

3. Для чего применяются фракционирующие устройства в пароструйных насосах?

Фракционирующее устройство используется для разделения рабочей жидкости на фракции, которые имеют различных температуры испарения. Температура испарения в центре фракционирующего устройства вследствие его формы выше, чем по краям.

 

Электронные преобразователи. Принцип действия, конструкция, особенности работы.

В электронных манометрах для ионизации молекул и атомов остаточных газов в рабочее пространство преобразователя инжектируются ионы с энергиями, превышающими потенциал ионизации (50эВ). При столкновении электрона с молекулами газа они ионизируются. Образующиеся положительные ионы ускоряются в направлении к коллектору. Число положительных ионов, появляющихся в результате столкновений, пропорционально плотности газа n и, следовательно, давлению Р. Сущ. 2 схемы электронных преобразователей: с внутренним и внешним коллектором.

 Схема с внутренним коллектором аналогична обычному триоду. Коллектором ионов является сетка, на которую относительно катода подается отрицательное напряжение 100..200В. Электроны на пути от катода к аноду соударяются с молекулами остаточных газов, и образовавшиеся положительные ионы попадают на сетку, создавая ионный ток, измеряемый гальванометром.

В схеме с внешним коллектором потенциалы сетки и анода меняются местами, и коллектором становится анод. Электроны, летящие от катода к сетке, совершают вокруг её витков ряд колебаний, что увеличивает длину траектории электронов и повышает вероятность ионизации молекул остаточных газов. Это делает схему более чувствительной. Область измерения давлений электронными ионизационными маноматерами 10 – 10^-8Па.

Ионизационный электронный преобразователь предст. собой стеклянную колбу с расположенными в ней коллектором ионов, сеткой, катодом. Электроны, эмитируемые катодом, нагретым электрич.током, ускоряются в направлении сетки, и большая часть их пролетает сквозь неё. В пространстве между сеткой и коллектором электроны попадают в тормозящее электрическое поле и их движение реверсируется. В результате электроны совершают колебательные движения до тех пор, пока не попадут на сетку. На своем пути они тсалкиваются с атомами остаточных газов и ионизируют их, создавая при этом пару электро-ион. Положительно заряженным ион устремляется к коллектору, создавая ток. Этот ионный ток пропорционален давлению, в случае, если электронный ток постоянен. Показания ЭП зависят от рода газа.

Нижний предел измерения ЭИП опред-ся фоновыми токами в цепи коллектора, не зависящими от давления, кот.появляются из-за эмиссии фотоэлектронов в результате мягкого рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов и ультрафиолетового накаленного катода.

Верхний предел опред-ся длиной свободного пробега электрона в объеме прибора, она становится меньше пути электрона между электродами, нарушается линейная зависимость тока от давления, так как заметную роль в ионизации газа начинают играть вторичные электроны.