УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОВЫШЕННОГО ВАКУУМА В СИСТЕМЕ С УЛЬТРАВАКУУМОМ Российский патент 2002 года по МПК B01J3/00 C23C28/02 

Настоящее изобретение касается усовершенствований, вносимых с целью повышения вакуума в системе с ультровакуумом, конструкция которой предусматривает наличие камеры, способной осуществлять дегазацию на своей поверхности, состоящей из покрытия, выполненного на, по меньшей мере, наибольшей части поверхности металлической стенки, определяющей камеру.

В металлической осушительной системе, в которой должен быть создан ультровакуум [т. е. вакуум не менее 10^-10 Торр (10^-8 Па)] и даже порядка 10^-13-10^-14 Topp (10^-11-10^-12 Па), металлическая стенка вакуумной камеры представляет собой неистощимый источник газа. Водород, содержащийся в конструкционном материале (например, нержавеющая сталь, медь, алюминиевые сплавы), свободно распространяется по его толщине и ослабляет свое распространение ближе к границе поверхности, состоящей из покрытия, нанесенного на, по меньшей мере, на наибольшую часть поверхности металлической стенки, определяющую камеру. Кроме того, когда стенки вакуумной камеры бомбардируются частицами (синхротронное излучение, электроны или ионы), как это происходит и в ускорителях частиц, происходит выделение даже более тяжелых молекул, таких как СО, СО₂, CH₄, образовавшихся на поверхностях стенок после разложения углеводородов, карбидов и окислов.

Следовательно, глубина вакуума, полученного в камере, определяется динамическим равновесием между выделением газов на поверхности стенок камеры и скоростью откачки воздуха используемыми насосами. Получение повышенного вакуума предполагает одновременно высокую чистоту поверхности камеры, уменьшающую выделение газов и повышенную скорость откачки. Для вакуумных систем ускорителей частиц, камеры которых имеют обычно малое сечение, насосы должны находиться в непосредственной близости друг от друга или же должно быть предусмотрена постоянная откачка с целью преодоления ограничения проводимости.

В этих условиях для получения как можно более высокого вакуума необходимо повысить глубину полученного вакуума, полученного механически (насосами), используя при этом дополнительную откачку, в частности, с помощью гетера, который способен производить химически стабильные соединения, вступая в реакцию с газами, находящимися в вакуумной камере (в частности с H₂, O₂, СО, СO₂, N₂), а эта реакция приводит к исчезновению имеющихся молекул, что способствует эффективности откачки.

Следовательно, независимо от способа осуществления механической откачки и несмотря на эффективность раздельной откачки, позволяющей использование неиспаряемого гетера, глубина вакуума, которая может быть получена в камере, зависит от динамического равновесия между скоростью откачки (независимо от задействованных средств) и степенью дегазации металлической поверхности камеры (независимо от причины), другими словами при данной скорости откачки глубина вакуума зависит от степени дегазации в камере.

Для повышения глубины ультравакуума в камере необходимо, по возможности, уменьшить степень дегазации на металлической поверхности камеры и одновременно увеличить эффективность средств откачки. В качестве наиболее близкого аналога для заявленной группы изобретений принят источник информации, известный из патента 03247776, С 23 С 28/00, 1991.

Таким образом, в основу настоящего изобретения положена задача уменьшить степень дегазации на поверхности стенок камеры, а также значительно увеличить эффективность задействованных средств откачки, что позволило бы получить сверхвысокий вакуум или ультравакуум [например, порядка 10^-10-10¹³ Topp (10^-8-10^-11 Па)] более экономичным путем.

Для решения этой задачи согласно изобретению предлагается усовершенствованное устройство, позволяющее повысить глубину ультравакуума в металлической камере, способное ослаблять выделение газов на поверхности камеры и представляющее собой покрытие, нанесенное на, по меньшей мере, наибольшую часть металлической поверхности, определяющей камеру, согласно изобретению покрытие содержит, по меньшей мере, один слой неиспаряемого гетера, нанесенный на металлическую поверхность камеры, а на самом слое нанесен, по меньшей мере, один тонкий слой, по меньшей мере, одного катализатора, выбранного из группы: рутений, и/или родий, и/или палладий, и /или осмий, и/или иридий, и/или платина, и/или сплава, содержащего, по меньшей мере, один из указанных элементов.

В таком устройстве основное достоинство применяемых в рамках данного изобретения катализаторов заключается в их слабом окислении: когда эти катализаторы подвергаются воздействию воздуха, они почти не взаимодействуют с кислородом на своей поверхности и поэтому нет необходимости в этапе активации путем нагрева, предназначенного для удаления пассивирующего слоя.

Существует также и другое преимущество применения предлагаемых катализаторов, заключающееся в их долговечности, поскольку поглощение газов является процессом, термически обратимым.

Указанный слой катализатора представляет собой экран, который замедляет дегазацию метала стенки камеры и не вызывает, в свою очередь, образования газов. Кроме этого, в камерах ускорителей частиц именно этот слой подвергается воздействию, вызванному ударами частиц, или воздействию синхротронного излучения, и который, образуя экран, препятствует высвобождению молекул, способных загрязнить вакуум в камере. Следовательно, слой катализатора является средством, предотвращающим в значительной степени дегазацию в камере, независимо от ее причины.

И наконец, указанные выше катализаторы способны создать эффект откачки, по меньшей мере, некоторых молекул, находящихся на поверхности камеры.

В этом плане самые интересные результаты были получены со сплавами на основе палладия, в частности со сплавом палладий-серебро.

Нанесение слоя катализатора на металлическую поверхность камеры может осуществляться любым известным специалистам и эффективным в рассматриваемом техническом контексте способом, в частности путем электролитического осаждения или путем катодного распыления, как это будет изложено ниже.

Однако следует заметить, что катализатор обладает и рядом недостатков, один из которых заключается в том, что в отличие от неиспаряемого гетера катализатор обеспечивает эффект только избирательной откачки: иными словами, он способен откачивать некоторые молекулы, например H₂ и СО, но не всегда такие как, например, N₂ и СO₂. Тем не менее, такую избирательность в наиболее часто встречаемых на практике случаях применения (вакуумные камеры ускорителя частиц) нельзя считать недостатком, потому что молекулы Н₂ и СО являются мажоритарными.

Кроме того, необходимо отметить, что катализаторы обладают эффектом откачки водорода, который конечно имеет место, но который ограничен при низком давлении. Однако понижение температуры позволяет увеличить количество откачиваемого водорода: порядка только одной фракции молекулярного слоя при окружающей температуре около 20^oС; это количество возрастает при более низкой температуре. Например, при использовании палладия, который в настоящее время является самым лучшим катализатором, а это подтверждают полученные результаты, при окружающей температуре давление равновесия для монослоя водорода, поглощаемого на поверхности, составляет 10^-7 Торр (10^-5 Па), а при температуре кипения жидкого азота (77 К), его можно вообще не принимать во внимание.

Именно для улучшения откачивающей способности катализатора по отношению к некоторым молекулам, к таким как Н₂, и к его изотопам предусмотрено предварительное нанесение слоя неиспаряемого гетерного материала на поверхность камеры.

Следовательно, вышеуказанные молекулы, такие как, например, водород и его изотопы, переносятся с поверхности, подверженной воздействию вакуума, через слой катализатора в слой неиспаряемого гетера либо медленно при окружающей температуре, либо быстро, но при нагреве до порядка 50-70^oС. Таким образом, если при окружающей температуре около 20^oС слой палладия, насыщенный водородом, позволяет получить вакуум глубиной до 10^-7 Торр (10^-5 Па), то нагретый до температуры 70^oС тот же катализатор позволяет получить вакуум порядка 10^-13 Торр (10^-11 Па). Объем общей откачки является объемом слоя неиспаряемого гетера.

Что касается слоя неиспаряемого гетера, подбора компонентов, составляющих слой, и способа его нанесения, то можно использовать любое известное специалистам решение, способное удовлетворить требованиям настоящего изобретения. Однако следует отдать предпочтение технологии, описанной в патентной заявке Франции FR-А-2 750 248, поданной от имени настоящего заявителя, которая раскрывает эту технологию подробно.

Необходимо отметить, что неиспаряемый гетерный материал (НГМ) должен, в частности, обладать высокой поглощающей способностью и высоким коэффициентом поглощения по отношению к водороду, быть способным, если возможно, создавать гидридную фазу; он должен, кроме этого, иметь давление диссоциации (распада) гидридной фазы менее 10^-13 Торр (10^-11 Па) при температуре около 20^oС. Гетер должен обладать также как можно более низкой температурой активации, совместимой с температурами просушки вакуумных систем (порядка 400^oС для камер из нержавеющей стали, 200-250^oС для камер из меди и алюминиевых сплавов), обладать стабильностью при взаимодействии с воздухом при температуре около 20^oС; в этих условиях обычно температура активации не должна превышать 400^oС и не должна быть ниже 150^oС.

В соответствии с настоящим изобретением тонкий слой неиспаряемого гетера согласно изобретению выполнен из титана, и/или циркония, и/или гафния, и/или ванадия, и/или скандия, предел растворимости которых для кислорода при окружающей температуре превышает 2%, могут представлять собой соответствующие неиспаряемые гетеры для нанесения тонким слоем в соответствии с данным изобретением. Естественно можно применить любой сплав или соединение из указанных металлов или любой сплав или соединение из одного или нескольких этих металлов с другими материалами и таким образом добиться нужного эффекта и даже для получения новых эффектов.

Согласно изобретению получение многослойной структуры осуществляется следующим образом:
- наносится, по меньшей мере, один тонкий слой неиспаряемого гетера на, по меньшей мере, большую часть поверхности камеры;
- затем на указанный слой гетера наносится, по меньшей мере, один тонкий слой катализатора, выбираемого из группы: рутений, и/или родий, и/или палладий, и/или осмий, и/или иридий, и/или платина, и/или сплава с, по меньшей мере, одним из указанных металлов;
- камеру соединяют с вакуумной системой и создают в ней вакуум с помощью откачки.

Катализатор может быть нанесен методом катодного распыления на слой неиспаряемого гетера, сам слой неиспаряемого гетера предварительно наносят методом катодного распыления без контакта с окружающей атмосферой между двумя нанесениями.

Если предпочтение отдано нанесению покрытия методом двойного катодного напыления, то на первом этапе нанесение слоя вышеуказанного неиспаряемого гетера осуществляют с помощью, по меньшей мере, одного первого электрода, приспособленного для катодного распыления гетера, так, как это раскрыто в патентной заявке Франции FR-A-2 750 248. Затем после окончания напыления этот первый электрод убирают из камеры и его перед тем, как приступить ко второму этапу, заменяют на соответствующий, по меньшей мере, один второй электрод, приспособленный для катодного напыления катализатора. Из-за того, что при замене первого электрода слой гетера вступает во взаимодействие с окружающей средой, то необходимо перед тем, как приступить к этапу нанесения слоя катализатора с помощью катодного напыления, произвести откачку, а затем активизировать посредством нагрева данный слой гетера.

Пример практической реализации данного способа может состоять из следующих этапов:
- очищают камеру, устанавливают устройство для нанесения тонкого слоя гетера на поверхность стенок камеры; создают относительный вакуум в камере; сушат камеру для максимального удаления из нее водяного пара; наносят тонкий слой гетера на как возможно большую часть поверхности стенок камеры;
- создают в камере атмосферное давление; извлекают из камеры устройства для нанесения тонкого слоя гетера; устанавливают устройства для нанесения катализатора на поверхность стенок камеры;
- создают относительный вакуум в камере; просушивают установку при необходимой температуре, при этом температуру в камере поддерживают ниже температуры активации гетера;
- заканчивают просушку установки с одновременным повышением температуры в камере до температуры активации гетера, которую поддерживают в течение определенного времени (примерно 1-2 часа); доводят температуры в камере до окружающей температуры; по окончании этой операции поверхность тонкого слоя гетера становится чистой и его тепловая дегазация значительно сокращена;
- наносят, по меньшей мере, один слой катализатора на слой неиспаряемого гетера.

Чтобы избежать негативных последствий, возникающих при замене электродов (главным образом вредное воздействие окружающей среды на слой гетера), можно предусмотреть установку двойного электрода, который содержит одновременно два материала (неиспаряемый гетер и катализатор) и который активируется таким образом, что наносятся последовательно сначала слой гетера, затем слой катализатора, без промежуточной обработки гетера. Чтобы добиться нанесения однородного слоя по всей поверхности камеры может быть применен вращающийся электрод.

После создания в системе окончательного вакуума поверхность слоя катализатора в вакуумной камере покрывается несколькими монослоями водяного пара, которые в дальнейшем должны быть удалены откачкой. Удаление осуществляется гораздо быстрее, если одновременно с откачкой осуществляют просушку вакуумной системы, если это возможно, путем нагрева при температуре, лежащей в пределах от около 120 до около 300^oС.

Катализатор, используемый в виде вышеуказанного слоя, наносится по всей длине поверхности камеры и сохраняет, следовательно, преимущество равномерно распределенной откачки. Кроме этого, слой катализатора, выполненный согласно настоящему изобретению, практически не изменяет объема камеры, что делает его использование предпочтительным, потому что он создает эффект откачки даже при нулевом объеме занимаемого пространства. Это дает возможность использовать его даже в тех случаях, когда геометрические законы не позволяют применение откачивающего материала в виде ленты.

Устройство содержит металлическую камеру, способную выделять газ на своей поверхности, которая состоит из покрытия, наложенного на по меньшей мере большую часть поверхности металлической стенки, определяющей камеру. Покрытие содержит по меньшей мере один слой, представляющий собой неисправляемый гетер, нанесенный на поверхность металлической стенки, а на слой гетера нанесен по меньшей мере один тонкий слой по меньшей мере одного катализатора, выбираемого из группы рутений, и/или родий, и/или палладий, и/или осмий, и/или иридий, и/или платина, и/или сплава, содержащего по меньшей мере один из этих металлов. Сущность способа получения повышенного вакуума в системе с ультравакуумом с использованием катализатора в камере, определенной металлической стенкой, способной выделять газ на своей поверхности: накладывают по меньшей мере один тонкий слой не испаряемого гетера на по меньшей мере большую часть поверхности стенки камеры, затем наносят по меньшей мере один тонкий слой по меньшей мере одного катализатора на указанный слой гетера, при этом указанный катализатор выбирают из группы рутений, и/или родий, и/или палладий, и/или осмий, и/или иридий, и/или платина, и/или сплав, содержащий по меньшей мере один из указанных металлов, соединяют камеру с вакуумной системой и создают вакуум с помощью системы насосной откачки. Использование данной группы изобретений позволяет уменьшить степень дегазации на поверхности стенок камеры и увеличить эффективность средств откачки. 2 с. и 7 з.п.ф-лы.

1. Устройство получения повышенного вакуума в системе с ультравакуумом, содержащее металлическую камеру, способную выделять газ на своей поверхности, которая состоит из покрытия, наложенного на по меньшей мере большую часть поверхности металлической стенки, определяющей камеру, отличающееся тем, что покрытие содержит по меньшей мере один слой, представляющий собой неиспаряемый гетер, нанесенный на поверхность указанной металлической стенки, определяющей камеру, и на этот слой гетера нанесен по меньшей мере один тонкий слой по меньшей мере одного катализатора, выбираемого из группы рутений, и/или родий, и/или палладий, и/или осмий, и/или иридий, и/или платина, и/или сплава, содержащего по меньшей мере один из этих металлов, благодаря чему его поверхность почти не окисляется при контакте с воздухом, указанный слой катализатора не наполняется кислородом при взаимодействии с воздухом и осуществляет молекулярную откачку по меньшей мере некоторых молекул, присутствующих в камере, при этом некоторые молекулы, например H₂ и его изотопы, перемещаются через этот слой катализатора в слой неиспаряемого гетера, а общий объем откачки является объемом откачки слоя неиспаряемого гетера. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тонкий слой катализатора представляет собой слой сплава палладия. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что катализатор представляет собой сплав палладия и серебра. 4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что неиспаряющийся гетер выбирают из группы титан, и/или цирконий, и/или гафний, и/или ванадий, и/или скандий, и/или сплав, или соединение, содержащее по меньшей мере один из указанных металлов. 5. Устройство по одному из пп. 1-4, отличающееся тем, что покрытие нагревают до около 50 - около 70^oС, благодаря чему откачка газа ускоряется. 6. Способ получения повышенного вакуума в системе с ультравакуумом с использованием катализатора в камере, определенной металлической стенкой, способной выделять газ на своей поверхности, отличающийся тем, что накладывают по меньшей мере один тонкий слой неиспаряемого гетера на по меньшей мере большую часть поверхности стенки камеры, затем наносят по меньшей мере один тонкий слой по меньшей мере одного катализатора на указанный слой гетера, при этом указанный катализатор выбирают из группы рутений, и/или родий, и/или палладий, и/или осмий, и/или иридий, и/или платина, и/или сплав, содержащий по меньшей мере один из указанных металлов, соединяют камеру с вакуумной системой и создают вакуум с помощью системы насосной откачки. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что катализатор наносят путем катодного напыления на слой неиспаряемого гетера, который тоже предварительно наносят путем катодного напыления, когда гетер не контактирует с окружающей атмосферой между этими двумя нанесениями. 8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что слой неиспаряемого гетера, нанесенный путем катодного напыления и подвергаемый воздействию окружающей атмосферы, откачивают и активизируют с помощью нагрева перед нанесением на него слоя катализатора путем катодного напыления. 9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что одновременно с созданием вакуума с помощью системы насосной откачки осуществляют просушку вакуумной системы путем ее нагревания до по меньшей мере 120^oС.