СНИЖЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ, ДОСТИГАЕМОГО С ПОМОЩЬЮ НЕРАСПЫЛЯЕМЫХ ГЕТТЕРОВ.

Пустовойт Ю.М., Столяров В.Л., Борман В.Д.,** Кондрашова О.И.,
***Реутова Н.П
(Москва, РНЦ “Курчатовский институт “, пл. Курчатова, 1, *Москва, МИФИ, Каширское ш., 31, **Москва, МГИЭМ, Трехсвятительский пер., 3/12, ***Москва, ЦНИИЧЕРМЕТ, 2-я Бауманская ул., 23/9 )

Источник: http://rvs.itsoft.ru/article/sart.html?id=364&conf_id=5

Одной из основных причин, ограничивающих применимость НГ в такой схеме, является их собственное газовыделение. Известно [1], что основными компонентами этого газовыделения являются метан и аргон. Уменьшение собственного газовыделения геттеров равнозначно снижению достигаемого с их помощью давления. Снижение давления на 1 порядок величины, как минимум, делает целесообразным проведение технико-экономических оценок получаемого преимущества. Если снижение давления обеспечивается на 2 порядка и более, то мы получаем качественно новое средство откачки. В этом случае возможности применения НГ в качестве самостоятельного откачного средства и связанные с этим преимущества неизмеримо возрастают.

Экспериментальные факты говорят о следующем:

1. Выделение метана и аргона из НГ носит универсальный характер, то есть наблюдается для всех используемых геттерных материалов – как на титановой, так и на циркониевой основе.

2. НГ становится источником метана и аргона после его активации (рис.1).

3. НГ не только выделяет метан, но и откачивает его. Быстрота откачки метана геттером сравнительно невелика [2]. В свою очередь, выделение метана носит стимулированный характер и связано с сорбцией других активных газов [3]. При пробных напусках активных газов наблюдается синхронное мгновенное изменение выхода метана из геттера (рис.2). Каждый газ имеет свое собственное стимулирующее воздействие на десорбцию метана.

Таким образом, выход метана из геттера является его реакцией на внешние условия. Действительно, нами наблюдалось, что выход метана из одного и того же геттерного насоса при работе в установках низкого и высокого вакуума различен.

Кроме этого, растворенные в самом материале геттера водород и углерод также стимулирует выход метана.

Из наблюдаемых двух стимулирующих десорбцию метана механизмов следует, что образование метана происходит на поверхности геттера, и “строительным материалом” для формируемых молекул метана, в основном, являются атомы углерода и водорода, растворенные в материале геттера. Эффективность метанообразования на поверхности связана с протекающим на ней процессом сорбции иных газов.

4. Выделение геттером аргона носит также универсальный и стимулированный характер. Выход аргона происходит также синхронно с сорбцией активных газов без заметной временной задержки (рис.3).

5. В процессе активации наблюдается относительно слабая сорбция аргона геттером. После окончания активации сорбция аргона прекращается (рис.4).

6. НГ характеризуется наличием на его поверхности защитного слоя предельных оксидов толщиной масштаба десятков монослоев. В результате активации геттера его поверхностный слой преобразуется: стехиометрия окислов нарушается и слой становится сильно дефектным, что наблюдается визуально в виде огрубления поверхности.

7. Математическое моделирование [4] десорбции аргона, стимулированное сорбцией водорода и кислорода, показывает, что распределение концентрации аргона в геттере имеет максимум у его поверхности. В приповерхностном слое атомы аргона удерживаются с энергией порядка 0,2 эВ, характерной для слабой физической связи.

На основании этого можно сделать вывод о том, что процесс активации можно трактовать, как частичное восстановление поверхностного окисного слоя с образованием вакансий в его кислородной подрешетке [5]. Единичные вакансии с ростом их концентрации объединяются, образуя вакансионные поры, и приповерхностный слой приобретает перколяционную проводимость, которая обеспечивает его диффузионную прозрачность для транспортировки сорбируемых газов от поверхности вглубь геттера. При работе НГ этот слой активен, он участвует в процессе сорбции газов и определяет скоростные сорбционные свойства геттера. Ему принадлежит основная роль в формировании остаточной газовой среды.

Основной материал геттера достаточно прочно удерживает абсорбированные газы, но приповерхностный вакансионный слой вносит свои коррективы.

С одной стороны, приповерхностный слой обладает повышенной концентрацией слабосвязанных примесей, включающих водород, углерод, аргон. С другой стороны, он чувствителен к внешнему воздействию, что и выражается в десорбции метана и аргона с его поверхности. При сорбции кислорода происходит перестроение структуры вакансионного слоя и увеличение его глубины. При этом, часть вакансионных ловушек нейтрализуется, что ведет к высвобождению удерживаемых в них метанообразующих компонент и аргона и их частичную десорбцию. При сорбции водорода структура слоя не изменяется, но активные атомы водорода способны вытеснять слабо связанные атомы углерода и аргона из вакансионных ловушек.

Таким образом можно сделать вывод, что для снижения остаточного давления над НГ следует целенаправленно изменять свойства именно приповерхностного слоя, то есть модифицировать его.

Из представленной модели газообмена геттера с окружающей средой следует, что большую роль в газовыделении НГ играют вакансионные ловушки приповерхностного оксидного слоя, которые в той или иной степени насыщенны примесями. Следовательно, для уменьшение газовыделения НГ нужно очистить эти ловушки и не допустить их повторного заполнения метанообразующими компонентами и аргоном. На основании анализа описанных выше эффектов можно предложить ряд методов для решения этой проблемы.

1. Поскольку выход метана, как было показано выше, существенно связан с количеством водорода вблизи поверхности геттера, одним из направлений уменьшения газовыделения геттера является максимально возможное понижение концентрации растворенного водорода. Это достигается использованием максимально возможных режимов активации: времени обезгаживания и температуры активации в присутствии максимально производительной откачки.

2. Для уменьшения концентрации аргона в геттере, в случае необходимости вскрытия откачиваемого объема на атмосферу, его поверхность следует насытить сухим азотом. Это дает возможность избежать захвата атмосферного аргона активными микропорами поверхности геттера .

3. Для уменьшения на поверхности геттера концентрации слабосвязанных углерода и аргона предлагается провести контролируемую сорбцию кислорода. При этом углерод, окисляясь, полностью покидает поверхность. Аргон также десорбируется. Причем именно кислород в максимальной степени стимулирует этот процесс.

4. Контролируемая сорбция кислорода производится в режиме, максимально способствующем удалению примесей из поверхностного слоя. Этот процесс сопровождается созданием предельно дефектной структуры приповерхностного слоя НГ. Для нейтрализации образующихся в слое активных центров, способных вновь аккумулировать примеси, последовательно производится контролируемая сорбция азота. При этом атомы азота заполняют вакансионные ловушки. Энергия связи в них достаточна для того, чтобы исключить десорбцию азота.

В результате выход метана и аргона из геттера резко уменьшается. В условиях проведенного эксперимента наблюдался выход метана и аргона ниже фонового, то есть в случае малых газовых нагрузок геттер из источника метана и аргона превратился в их поглотитель (рис.5).

На практике, в условиях вакуумной камеры для серийных испытаний НГ с характерным предельным давлением 1^.10^-8 Торр, в результате такой модификации геттера предельное остаточное давление снизилось до величины 3^.10^-10 Торр. При этом измеряемое давление определялось, в основном, собственным газовыделением вакуумметрических и масс-спектрометрических датчиков.

Практическое использования эффекта снижения газовыделения НГ может быть целесообразным в тех устройствах, где геттер работает преимущественно при комнатной температуре и без частых контактов с атмосферным воздухом. Такими являются большинство изолированных (“silled off”) приборов, ускорительные установки с ультравысоким вакуумом и другие электрофизические установки.

Применение модифицированного НГ в кинескопах может стать альтернативой распыляемым газопоглотителям, улучшив качество вакуума и исключив вредные последствия образования протяженных токопроводящих пленок.

Снижение давления в приборах с чувствительными поверхностями может увеличить эффективность и стабильность их работы.

После вскрытия на атмосферу приобретенные свойства модифицированного НГ в основном сохраняются. Эффект “пямяти” зависит от времени выдержки на атмосфере. Спустя 1 час после вскрытия с помощью метода XPS регистрируется наличие 4%-ого превышения азота над фоновым значением, что может служить доказательством проведенной ранее модификации геттера.

Рис. 1.Спектр остаточного газа в изолированном вакуумном объеме в присутствии активированного TiV НГ после активации, спустя 15 часов после акрывания вентиля внешней откачки, остаточное давление P = 6^.10^-7 Торр.

Рис. 2. Изменеие давления в измерительном объеме после закрывания вентиля внешней откачки в присутствии TiV НГ при комнатной температуре: I – до активации геттера, II – после его активации, III – после его модификации, IV – после модификации и приоткрытия вентиля внешней откачки.

Список литературы

1. Быков Д.В., Кондрашова О..И, Губанов С.В.,и др. Исследование закономерностей эмиссии аргона из материала нераспыляемого геттера. //Тезисы докладов II Научно-технической конференции “Вакуумная наука и техника”.- Гурзуф. -1995,- с.31.

2. Быков Д.В., Кондрашова О..И, Столяров В.Л. и др. Особенности спектров остаточных газов сверхвысоковакуумных объемов, откачиваемых нераспыляемыми геттерами. //Тезисы докладов IV Научно-технической конференции “Вакуумная наука и техника”.- Гурзуф. -1997,- с.131-133.

3. Столяров В.Л., Реутова Н.П., Быков Д.В., Кондрашова О..И. Изменение спектра остаточных газов при сорбции активных газов Ti-V нераспыляемым геттером. //Тезисы докладов III Научно-технической конференции “Вакуумная наука и техника”.- Гурзуф. -1996,- с.23.

4. V. Stoljarov. Ti-based getters: physical model and principal vacuum performances. /23^rd IUVSTA Workshop on GETTERING MATERIALS: PRINCIPLES AND USE,-Bonassola,- Italy.-June 5-10.-1999.

5. V.D.Borman, S.V.Gubanov, Yu.Yu. Lebedinski, Yu.M.Pustovoit etс. Non-Equilibrium processes on a TiV Neg Surfase at Activation and Absorption of Gases. /14 International Vacuum Congress.-Birmingham, UK.-31Aug.-4 Sept.-1998. p416.