KEMIČNO ČRPANJE V VAKUUMSKIH TEHNOLOGIJAH Bruno Ferrario*, SAES Getters S.pA,Via Gallarate 215, 20151 Milano, Italija
Chemical pumping in vacuum technology ABSTRACT
Chemical pumping in vacuum technology is based on the capability of metals, such as Zr, Ti, Ba and others, tochemisorb the active residual gases present in vacuum devices or systems. These metals are known as getters: their role is to improve and maintain the required vacuum in vacuum devices working in the range of 1-10"" Pa.
POVZETEK
Osnova kemičnega črpanja je vzmožnosti nekaterih kovin, kot so Zr, TI, 6a, da kemosorbirajo preostale pline v vakuumskem sistemu ali napravi. Takšne materiale imenujemo getre: njihova vloga je doseči in izboljšati zahtevani vakuum v vakuumskih napravah, ki delujejo v področju tlakov od 1 do Pa.
1	UVOD
Ob koncu preteklega stoletja so uporabljali rdeči fosfor za vsrkavanje (sorbiranje) aktivnih plinov, kot sta kisik in vodna para, ki sta ostala po izčrpanju zraka v 'arni-cah, da bi preprečili pregoretje 'arilne nitke. Kasneje so uporabljali barij v katodnih (rentgenskih) elektronkah, da bi čim dlje obdržale vakuum. Preizkušali so tudi mnoge druge kovine, ki imajo lastnost vsrkavanja, kot so: titan, cirkonij, redke zemlje itd. ali njihove zlitine. Imenovali so jih getre. Danes se uporabljajo pri izdelavi vseh katodnih {televizijskih oz. slikovnih) elektronk, v velikih zaprtih visokovakuumskih in ultra visokova-kuumskih sistemih, kot so trkalniki. sinhrotroni itd,
V splošnem delimo getre v dve skupini: v uparljive in neuparljive (NEG).
2	UPARLJIVI GETRI
Značilna predstavnika sta barij in titan. Slednji se največ uporablja za sublimaoijske črpalke pri ultra visokovakuumskih (ÜW) sistemih. Barij je kot kovina zelo reaktiven, zato ga uporabljajo le v obliki zlitin, ki so bolj stabilne. Taka je npr.praškasta oblika barijevega alumi-nata BaAU, ki ga zmešajo z nikljevim prahom in stisnejo v obročke. Ko le-te visokofrekvenčno segrejemo, nastopi kemična reakcija: BaAU -i- 4 Ni => Ba 4 NiAl, pri kateri se izloči kovinski barij. Reakcija se začne pri 800°C in je eksolermna, temperatura getra naraste na 1200°C. Pri tem se barij upari in se v tanki plasti "usede" na okoliške (notranje) stene evakuirane posode ter začne zelo intenzivno črpati in kemosorbirati (vsrkavati oz. kemično vezati) okoliške preostale (residualne) pline v vakuumskem sistemu (npr. v TV elektronki). Da bi bila sorpcija plinov čim boljša, je potrebno, da je nastala barijeva tanka plast porozna, tj., da ima veliko celotno površino. To lahko dosežemo s tki. getri, dopi-ranimi z dušikom. Getru je dodan 'elezov nitrid (Fe4N), ki razpade, tik preden se barij upari. Dušik povzroči, da se kovinski atomi barija na poti proti steni sipljejo. Rezultat je bolj porozna tanka plast, kot bi biia tista, ki nastane pri nedopiranih getrih. Tudi temperatura podlage (npr. stene), na kateri nastaja tanka plast getra. naj bi bila čim nižja, da bo plast bolj porozna.
* Dr. Bruno Ferrario je vodilni, svetovno znam strokovnjak za področje getrov. aktivni član italijanskega vakuumskega društva, pedagog in pisec učbenikov iz vakuumske tehnike.
3 NEUPARLJIVI GETRI (NEG)
Splošno velja, da uporabljamo uparljive getre v tistih zataljenih (zatesnjenih) vakuumskih napravah (posodah), kjer je dovolj prostora in so na razpolago velike površine. Povsod pa to ni mogoče, posebno pri majhnih prostorninah in površinah vakuumski posod. Tam uporabljamo neuparljive getre. izdelane iz zlitin titana m cirkonija, namesto iz čistih kovin. V zadnjih desetletjih so Izdelali naslednje getrske zlitine:
-	Zr-V-Fe (oznaka: St 707), ki postane aktivna pri temperaturi 400 do 450°C in ima odlične sorpcijske lastnosti celo pri sobni temperaturi
-	Zr-Fe (St 198), ki sorbira vse aktivne pline, posebno dušik
-	Zr-Ni (St 199), ki ima veliko sorpcijsko kapaciteto za vodne pare m vodik
-	Zr-AI (St 101). ki postane aktivna šele pri 700 do 900 °C.
3.1	Aktivacija neuparljivih getrov
Neuparljive getre je potrebno v vakuumski posodi najprej aktivirati, da so sposobni za črpanje preostalih (residualnih) plinov, ki navadno še ostanejo po končanem črpanju (H2, H2O. CO. CO2, N2.O2)- Pri upar-Ijivih getrih lahko občasno naparimo nove getrske plasti, ki so sposobne črpanja, dokler se ne nasitijo. Pri neuparljivih pa moramo getrsko snov najprej segreti, da odstranimo pasivno oksidno plast s površine, tako da se pokaže kovinska, ki je šele sposobna za črpanje aktivnih plinov. Pri popolni aktivaciji oz. odstranitvi pasivne plasti je hitrost sorbiranja (l/s) največja.
3.2	Sorpcijske lastnosti
Sorpcijske lastnosti so odvisne tako od fizikalno-kemij-skih lastnosti same getrske snovi in velikosti površine, kot tudi od kemijske narave aktivnih plinov, ki so udeleženi pri sorpcijskem procesu. Te pline lahko razdelimo v štiri skupine:
-	vodik in njegovi izotopi, ki sorbirajo v obeh smereh. To pomeni, da jih getrska plast vsrka, ko pa jo segrejemo, jih oddaja (regeneracija)
-	skupina CO. CO2. O2 in N2. katerih sorpcija (kemi-sorpcija) je nepovrnijiva (ireverzibilna), kar pomeni, da teh plinov m več mogoče spraviti iz getrske snovi, ker so kemijsko vezani, kljub močnemu pregrevanju
-	ogljikovodiki in voda. ki lahko sorbirajo v obeh smereh. Voda in ogljikovodiki razpadejo na površini getra, nastali vodik se sorbira reverzibilno, ogljik in kisik pa ireverzibilno.
-	'lahtni plini, ki jih getri ne morejo sorbirati.
3.3	Oblike getrov
Enostavni getri. ki jih uporabljamo v odtaljenih sistemih (npr. TV slikovne elektronke), imajo obliko tablet ali obročkov. Druga oblika je "getrski trak", ki ima kovinsko osnovo (trak), na katero je nanesena (na obe strani) getrska snov. Te oblike so osnova za bolj zamo-
Slika 1. Primeri pritrditve barijevih getrovv televizijski elektronki. Pritrditev a) "antenska", b) "topovska", C) anodna in d) magnetnozaslonska.
tane izvedbe. Aktivacijo getrskih trakov dosežemo z uporovnim gretjem traku (tok teče skozi-tPčik)^Zanimiva-je tudi skupina poroznih neuparljivih getrov, ki so pripravljeni s sintranjem praškastih zmesi, ki vsebujejo čisto kovino, kot sta Zr in Ti, ter getrsko zlitino. Smisel takih getrov je kombinacija velike aktivne površine in poroznosti ter dobrih mehanskih lastnosti.
4 UPORABA
Za vsak način uporabe je potrebno ugotoviti najprimernejšo obliko in sestavo getra.
4.1 Uporabavvisokovakuumskih (VV) in ultra visokovakuumskih (UW) sistemih (10'^ do m bar)
Barijeve getre največ uporabljamo v slikovnih elektronkah, si. 1. Pri W in UW sistemih je navadno najboljša kombinacija getrske in ionske črpalke, da dosežemo najnižji končni tlak. Enostaven trakasti geter St 101 (Zr-AI) je npr. vgrajen v velikem elektronsko-po-zitronskem trkalniku, ki deluje v Ženevi od leta 1989, kjer je 80% njegove 27 km dolžine črpane s tem neu-parljivim getrom (tlak med obratovanjem je mbar), si. 2, Znanstveniki iz CERN-a pa so z neupar-
SvinCena zaSCita Črpalni nastavki Vakuumska komora I	;' Getrska Črpalka
Hladilni kanali
Držalo getra Keramika
Ijivim getrorn dosegli vposebnih, velikih komorah tlake, nižje od 10' mbar.
Zdaj že uporabljajo getrske črpalke pri večini velikih pospeševalnikov, predvsem v sinhrotronih, kjer morajo zagotoviti veliko črpalno hitrost (l/s) in kapaciteto (mbar.l) zaradi močnega razplinjevanja na mestih, kamor se siplje sinhrotronska svetloba. Nadaljnjo uporabo predvidevajo pri fuzijskih reaktorjih (tokamaki).
Getrske črpalke se sedaj največ uporabljajo v kombinaciji z ionskimi črpalkami ter krio in turbomoleku-larnimi črpalkami, predvsem v UW sistemih, kjer je potrebna velika črpalna hitrost za vodik.
4.2	Uporaba v srednjem vakuumu (1 do 10'^ mbar)
Getri in getrski trakovi se uporabljajo za industrijske sončne kolektorje, Dewarjeve posode, skratka tam. kjer je vakuum toplotni izolator. V masovni proizvodnji nerjavnih kovinskih termovk uporabljajo neuparljive getre v obliki kroglic, ne samo za vzdrževanje vakuuma v njih, ampak tudi za hitrejšo proizvodnjo. Geter (St 707) aktivirajo pri 400 do 500°C kar v termovki sami, da pospešijo (samo) črpanje, ki gre sicer z drugimi črpalkami mnogo počasneje zaradi majhne prevodnosti tankih črpalnih cevi. Tudi v nekaterih žarnicah upo--rabljajo-barijeve-in neuparljive getre. — —
4.3	Čiščenje plinov
Getrl ne zmorejo črpati žlahtnih plinov, kar je slabost pri kemičnem (sorpcijskem) črpanju, posebno v UW sistemih. To težavo premagamo s kombinacijo z drugimi vrstami črpalk. Ta slabost postane prednost pri čiščenju žlahtnih plinov (za industrijo polprevodnikov). Čistilne naprave, zgrajene z uporabo neuparljivih getrov, omogočajo ekstremno nizke nivoje residualnih nečistoč v čiščenem plinu v področju ppt (parts per trillion = delov na milijon na tretjo potenco). začenši pri koncentracijah v področju ppm (delov na milijon) ali ppb (delov na milijardo).
Vprašanje za preskus znanja o getrih
Zakaj je potreben geter v slikovni (TV) katodni elektronki?
Odgovor. V vsaki evakuirani "posodi", ki je sicer her-metično zaprta tlak počasi narašča. Elektroni, ki izvirajo iz oksidne katode, na zaslonu "rišejo slike". Na njihovi poti jih ovirajo molekule preostalih (residualnih) plinov, v katere zadevajo, in jih ionizirajo, ioni (pozitivni delci) letijo p/oti negativni elektrodi, katodi, ter jo bombardirajo. Čim več je ionov, tem močnejše je razbijanje oksidne plasti katode. Njena aktivna površina, odkoder izhajajo elektroni, je čedalje manjša. Elektronov je čedalje manj. Slika na zaslonu zbledi in končno zgine. Televizor je "crknil", pravimo. Getri imajo v slikovni elektronki nalogo, da čim več molekul, ki so pridrle iz zunanjosti vanjo, zadrži in tako poveča trajnost elektronke, nam pa prihrani stroške za nov televizor.
Slika 2. Getrski trak v elektronsko-pozitronskem trkalniku v Ženevi (presek vakuumske komore)
Po članku v Vacuum, 47, 1996, 4, 363-370 prevedel in priredil dr, Jože Gasperič