Структурированная поверхность помогает создавать вакуум
С развитием технологий трехмерной печати появилась возможность создавать структуры со сложной пространственной геометрией, применяемые в различных областях техники. Для многих технологических процессов необходим высокий вакуум, и задачи оптимизации вакуумной техники, увеличения ее эффективности, снижения стоимости и габаритов остаются актуальной на протяжении многих лет. Обычно эти цели пытаются достичь с помощью двухэтапной схемы создания вакуума: первый этап предполагает удаление газа механическим или турбомолекулярным насосом, а на втором этапе давление снижают с помощью "геттерных" (от английского "get" – "получать") материалов, адсорбирующих остаточные газы. Оптимизация этого этапа сводится к подбору эффективных геттеров и контролю их состояния. В недавней статье [1] исследователи из Univ. of Nottingham (Великобритания) и двух британских инженерных фирм предложили новую идею увеличения эффективности этого этапа: с помощью структурированных поверхностей, создаваемых посредством 3D печати и покрытых не испаряемыми геттерами. Такие покрытия широко применяют в ускорителях частиц, вакуумных камерах, сенсорах, квантовых технологиях и других областях, где важно долгое время поддерживать чрезвычайно низкое давление. После активации поверхность геттера становится "активной" и способна эффективно поглощать газы, удерживая их внутри себя на длительное время. В данной работе использовали геттер на основе V-Zr-Ti, активирующийся при температуре 200 °C. Сама откачка газа происходила при комнатной температуре.
Рис. 1. Исследуемые образцы и график снижения давления.
На вставке: иллюстрация столкновения молекулы газа с плоской и структурированной поверхностью.
Авторы экспериментально исследовали процесс откачки газа с тремя видами поверхностей: плоской (образец 1, рис.1) и структурированной в виде "пчелиных сот" (образец 2) или конусов (образец 3). Период структуры выбрали порядка 2 мм. На графике (рис. 1) показан процесс откачки газа за счет поглощения на разных образцах. Видно, что на образцах 2 и 3 давление падает быстрее, чем на плоском образце 1, причем образец 3 более эффективно снижает давление, чем образец 2. Также проведено численное моделирование процесса поглощения газов с помощью метода Монте-Карло.
Увеличение эффективности откачки газов при использовании покрытий с неиспаряемыми геттерами на структурированных поверхностях происходит не только за счет увеличения площади поверхности, ключевую роль играет и форма микроструктуры: сложная геометрия приводит к тому, что молекулы газа сталкиваются с поверхностью многократно, прежде чем покинуть такую "ловушку" (вставка на рис. 1) Это многократное взаимодействие значительно увеличивает вероятность захвата молекулы, даже если сама вероятность захвата при одном столкновении невелика. Благодаря этому эффекту выигрыш в эффективности откачки может быть больше, чем просто увеличение площади поверхности: в экспериментах и моделировании показан рост эффективности почти в 4 раза при увеличении площади лишь в 2.3 раза.
Дальнейшие исследования процессов поглощения на различных структурированных поверхностях позволят достигать еще больших эффективностей откачки, а значит создавать более компактные устройства, использующие высокий вакуум.
1. N.Cooper еt al., Phys. Rev. Appl. 25, 014047 (2026).
Автор: З. Пятакова
