CHƢƠNG 2:
KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT
(Scanning Electron Microscope)
2.1.
Tương tác giữa điện tử tới và vật chất:
Khi các điện tử đƣợc gia tốc lên năng lƣợng cao (khoảng vài trăm keV) và
đƣợc hội tụ vào mẫu phân tích, chúng sẽ tán xạ, hoặc tán xạ ngƣợc (đàn hồi hoặc
không đàn hồi) sẽ tạo ra nhiều loại tƣơng tác làm nguồn cho nhiều loại tín hiệu
nhƣ X-ray, điện tử Auger, hoặc ánh sáng nhƣ hình 2.1 dƣới đây:
Điện tử tán xạ
ngược (BSE)
Chùm điện tử
tới năng
lượng cao
Điện tử thứ
cấp (SE)
Tia X
Điện tử Auger
Ánh sáng
khả kiến
Điện tử hấp thu
Điện tử -lỗ trống
Mẫu
Điện tử tán xạ
đàn hồi
Điện tử
truyền qua
Điện tử tán xạ
không đàn hồi
Hình 2.1: Các tín hiệu điện tử phát ra khi có sự tƣơng tác giữa điện tử năng lƣợng
cao và mẫu.
Các loại tín hiệu bức xạ bao gồm: điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngƣợc
(BSE), các đặc tính của X-ray, ánh sáng huỳnh quang catốt (cathodoluminescence),
dòng dẫn của mẫu, và các điện tử truyền qua. Trong đó, điện tử thứ cấp thông
dụng với đa số các máy SEM.
Điện tử chỉ có thể truyền qua mẫu trong trƣờng hợp mẫu đủ mỏng. Chúng
chính là các điện tử tới bị tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi trong khi xuyên vào
mẫu và giảm số lƣợng khi tích chiều dày và khối lƣợng mẫu tăng. Cƣờng độ I của
các điện tử truyền qua theo chiều dày đƣợc cho bởi biểu thức:
I
I 0 exp
x
I 0 exp
x
(2.1)
Trong đó: I0 là cƣờng độ của điện tử tới, là hệ số hấp thụ của mẫu, và là
mật độ mẫu. Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào thế tăng tốc của điện tử, nó giảm khi
thế tăng tốc tăng. Cƣờng độ của điện tử truyền qua mẫu tinh thể phụ thuộc vào
định hƣớng của tinh thể, cƣờng độ sẽ thay đổi mạnh khi điều kiện nhiễu xạ bị thay
đổi.
Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng
nhất của kính hiển vi điện tử quét. Chế độ này cung cấp cho ta hình ảnh bề mặt
mẫu có độ phân giải cao. Điện tử thứ cấp sinh ra do sự tán xạ không đàn hồi giữa
các điện tử tới với các điện tử của mẫu gần bề mặt. Chùm điện tử thứ cấp có năng
lƣợng thấp (thƣờng nhỏ hơn 50 eV) đƣợc ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp
nháy. Vì chúng có năng lƣợng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt
mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt
mẫu.
Điện tử tán xạ ngƣợc (Backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngƣợc là
chùm điện tử ban đầu khi tƣơng tác đàn hồi với bề mặt mẫu bị bật ngƣợc trở lại,
do đó chúng thƣờng có năng lƣợng cao (lớn hơn 50 eV) bao gồm cả điện tử Auger.
Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào vào số nguyên tử Z của các nguyên tố vật
liệu mẫu, cũng nhƣ hình thái bề mặt mẫu. Nguyên tố mẫu có số nguyên tử Z càng
cao thì khả năng tán xa ngƣợc càng lớn, do đó hình ảnh thu đƣợc càng sáng. Ảnh
điện tử tán xạ ngƣợc rất hữu ích cho phân tích về độ tƣơng phản thành phần hóa
học. Ngoài ra, ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngƣợc còn giúp cho việc phân tích cấu
trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử).
Điện tử Auger là điện tử lớp ngoài cùng của nguyên tử trong mẫu phát xạ
do quá trình ion hóa nguyên tử. Qúa trình Auger này sẽ đƣợc trình bày rõ trong
phần XPS.
Tia X phát ra từ mẫu: Sƣ tƣơng tác giữa điện tử với vật chất có thể sản sinh
phổ tia X đặc trƣng, rất hữu ích cho phân tích thành phần hóa học của vật liệu. Các
phép phân tích có thể là phổ tán sắc năng lƣợng tia X (Energy Dispersive X-ray
Spectroscopy - EDXS) hay phổ tán sắc bƣớc sóng tia X (Wavelength Dispersive
X-ray Spectroscopy - WDXS)...
Huỳnh quang catốt (Cathodoluminesence): Là các ánh sáng phát ra do
tƣơng tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu. Phép phân tích này rất phổ biến và rất
hữu ích cho việc phân tích các tính chất quang, điện của vật liệu.
Nếu gọi dòng chùm điện tử tới là I0, dòng tán xạ ngƣợc là IBSE, dòng điện tử
thứ cấp là ISE, và dòng điện truyền qua mẫu xuống đất là ISC, theo định luật dòng
Kirchoff:
I0 = IBSE + ISE + ISC
(2.2)
Khi I0 tăng thì các dòng còn lại cũng gia tăng theo.
Hiệu suất tán xạ ngƣợc η đƣợc xem nhƣ là tỷ số giữa số điện tử tán xạ
ngƣợc với số điện tử tới, và đƣợc tính bằng công thức:
η= IBSE/I0.
(2.3)
Hiệu suất của điện tử thứ cấp đƣợc tính:
δ=ISE/I0.
(2.4)
Trong thể tích mẫu, các điện tử bức xạ sẽ thoát ra từ những vùng khác nhau
nhƣ trong hình dƣới:
Chùm
điện tử
Vùng điện
tử Auger
thoát ra
Vùng
e thứ
cấp
Vùng điện tử tán
xạ ngược thoát ra
Vùng tia X
thoát
thoát ra
ra
Hình 2.2: Độ sâu khả dĩ của các bức xạ điện tử có thể thoát ra khỏi bề mặt mẫu.
Điện tử
thứ cấp
Phân bố năng lượng của các điện tử
bức xạ
Các pic
Auger
Điện tử tán xạ
ngược
Năng lượng điện tử
Hình 2.3: Phổ phân bố năng lƣợng của điện tử bức xạ.
Từ hình 2.3 ta thấy, năng lƣợng của điện tử tán xạ ngƣợc khá lớn, trong khi
năng lƣợng của điện tử thứcấp luôn nhỏ hơn 50 eV.
Mẫu C
Mẫu Fe
Mẫu Au
Hình 2.4: Mô phỏng Monter Carlo quá trình tán xạ của điện tử trong mẫu C, Fe,
và Au, năng lƣợng tới 5 keV, đƣờng kính chùm điện tử là 10 nm.
Bảng 2.1: Lĩnh vực ứng dụng của các tín hiệu.
Ứng dụng
Tín hiệu
Hình thái học
Tất cả các dạng tín hiệu, trừ tia X và
điện tử Auger.
Phân tích nguyên tố
Tia X, huỳnh quang cathode, điện tử
Auger, và điện tử tán xạ ngƣợc.
Tinh thể học
Điện tử tán xạ ngƣợc, điện tử truyền
qua, điện tử thứ cấp và tia X.
Liên kết hóa học
Điện tử Auger, và tia X.
Tính chất điện từ
Điện tử thứ cấp và suất điện động.
Độ phân giải của SEM khá cao khoảng 1-5 nm (kích thƣớc). Độ phóng đại
đƣợc điều chỉnh dễ dàng từ 10x - 300,000x. Nếu so sánh SEM với các loại kính
hiển vi quang học tốt nhất, thì hình ảnh của SEM có độ sâu ảnh trƣờng tốt hơn 100
lần và độ phóng đại của ảnh có thể tốt hơn 100.000 lần. Ngoài ra, khi so sánh với
TEM chỉ cung cấp hình ảnh hai chiều, SEM có thể cung cấp hình ảnh ba chiều,
điều nay tạo rất nhiều thuận lợi cho các nhà khoa học trong việc nghiên cứu các
mẫu vật. Hơn nữa, việc chuẩn bị mẫu của SEM đơn giản hơn rất nhiều so với
TEM.
2.2. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, thƣờng viết tắt
là SEM):
2.2.1. Giới thiệu:
SEM là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao
của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu.
Chùm điện tử sẽ tƣơng tác với các nguyên tử nằm gần hoặc tại bề mặt mẫu vật
sinh ra các tín hiệu (bức xạ) chứa các thông tin về hình ảnh của bề mặt mẫu, thành
phần nguyên tố, và các tính chất khác nhƣ tính chất dẫn điện.
SEM lần đầu tiên đƣợc phát triển bởi nhà khoa học Zworykin vào năm
1942, là một thiết bị gồm một súng phóng điện tử, ba thấu kính tĩnh điện và hệ
thống các cuộn quét điện từ đặt giữa thấu kính thứ hai và thứ ba, và ghi nhận chùm
điện tử thứ cấp bằng một ống nhân quang điện.
Hình 2.5: Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV tại Trung tâm Khoa
học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Năm 1948, C. W. Oatley ở Đại học Cambridge (Vƣơng quốc Anh) phát
triển kính hiển vi điện tử quét trên mô hình này và công bố trong luận án tiến sĩ
của D. McMullan với chùm điện tử hẹp có độ phân giải đến 500 Angstrom. Trên
thực tế, kính hiển vi điện tử quét thƣơng phẩm đầu tiên đƣợc sản xuất vào năm
1965 bởi Cambridge Scientific Instruments Mark I.
2.2.2. Thiết bị:
Các bộ phận chính của SEM gồm:
-
Nguồn phát điện tử (súng phóng điện tử).
-
Hệ thống các thấu kính từ.
-
Buồng chân không chứa mẫu.
-
Bộ phận thu nhận tín hiệu detector (tùy từng loại mục đích phân tích, thông
thƣờng là detector điện tử thứ cấp).
-
Thiết bị hiển thị.
Các bộ phận khác: Nguồn cấp điện, hệ chân không, hệ thống làm lạnh, bàn
chống rung, hệ thống chống nhiễm từ trƣờng và điện trƣờng.
Súng điện tử
Anốt
Chùm điện tử
Kính hội
tụ
Cuộn quét
Vật kính
Hệ thống
quang
Máy quang
phổ
Bơm
Mẫu đo
Hình 2.6: Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét.
Dây cáp
cao thế
Wehnelt
Cuộn dây
Anốt
Chùm điện tử
Kính hội tụ
Khe
Các cuộn quét
Điều chỉnh
khe
Vật kính
Detector điện
tử tán xạ
ngược
Detector năng lược
tán xạ tia X
Detector
điện tử
thứ cấp
Mẫu
Buồng mẫu
Camera
hồng
ngoại
Đế
Bơm hút
-
Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống thấu kính từ của kính hiển vi điện tử quét.
a.
Súng phóng điện tử:
Súng điện tử thƣờng hoạt động trong khoảng từ 0 đến 30 kV, đôi khi 60 kV
tùy thuộc thiết bị. Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống nhƣ việc tạo
ra chùm điện tử trong các thiết bị quang học điện tử khác, tức là điện tử đƣợc phát
ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trƣờng nóng hoặc
lạnh), sau đó đƣợc tăng tốc.
Súng phát xạ nhiệt điện tử (A thermionic electron gun): Khi nung nóng một
vật liệu dẫn điện đến điểm mà các điện tử ở lớp quỹ đạo ngoài cùng có đủ năng
lƣợng vƣợt qua đƣợc rào thế năng và thoát ra ngoài, chùm điện tử sẽ đƣợc sinh ra.
Có hai loại vật liệu chính làm nguồn nhiệt là cuộn dây tungsten và lanthanum
hexaboride (LaB6), chúng hoạt động trong môi trƣờng chân không cao ~10-5 và
~10-7 torr.
Cuộn catốt tungsten thƣờng đƣợc sử dụng cho phát xạ nhiệt của súng phóng
điện tử do nó có giá thành rẻ. Đƣờng kính cuộn khá nhỏ khoảng 0.1 mm, và đƣợc
uốn cong thành hình chữ V nhƣ hình 2.8. Cuộn có độ nóng chảy cao và áp suất
bay hơi thấp. Để đảm bảo cho nguồn phóng điện tử ổn định, nhiệt độ cuộn
tungsten phải đạt khoảng 30000C. Tuy nhiên cuộn dây tungsten cũng có những
hạn chế là nhiệt độ hoạt động khá cao khoảng 2700 K, và phải thƣờng xuyên thay
mới do sự bay hơi.
Điện tử khi thoát ra khỏi cuộn dây sẽ có năng lƣợng là:
E
kT
(2.5)
Với k là hằng số Boltzmann (8.617398 x 10-5 eV/K); T là nhiệt độ của cuộn
dây (2700K), Vậy năng lƣợng điện tử phát xạ là khoảng 0.23 eV.
Lanthanum hexaboride (LaB6) hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn cuộn dây
tungsten, và do đó nó có sản lƣợng phát xạ cao hơn. Tuy nhiên cuộn dây LaB6 cần
phải có chân không cao hơn tungsten mới có thể hoạt động ổn định và kéo dài tuổi
thọ.
Súng phát xạ nhiệt điện tử
Cuộn dây
Điện trở
Wehnelt
Nơi giao căt
Anốt
Nối đất
Hình 2.8: Sơ đồ súng phát xa nhiệt điện tử.
Từ sơ đồ hình 2.8, ta thấy súng phát xạ điện tử ngoài hai bộ phận chính là
catốt và anốt, còn có ống trụ Wehnelt. Công dụng chính của ống trụ Wehnelt là
dồn các điện tử vào thành “chùm” ở trung tâm. Ban đầu các điện tử thoát ra theo
mọi hƣớng khác nhau từ cuộn dây catốt, ống trụ Wehnelt đƣợc phân cực âm (từ 200V đến -300V) và bố trí xung quanh cuộn dây tạo ra trƣờng tĩnh điện đẩy, tập
trung các điện tử vào giữa.
Thế gia tốc đƣợc chọn từ 10-1000 kV. Tăng dòng chạy qua cụộn dây cho tới
khi đầu uốn cong của cuộn dây phát xạ cực đại (đạt bảo hòa). Khi phát xạ điện tử,
cần phải điều chỉnh thế để chùm phát xạ điện tử càng cao càng tốt nhƣng phải đảm
bảo độ bền của cuộn dây.
Có hai yếu tố ảnh hƣởng đến súng phát xạ nhiệt điện tử:
1. Dòng điện của cuộn dây: Dòng điện này điều khiển nhiệt độ của cuộn dây,
do đó nó tạo ra số lƣợng điện tử bức xạ hay dòng bức xạ. Điều cần đạt đƣợc
là phải tạo ra một số lƣợng lớn điện tử bức xạ trong một đoạn nhỏ của cuộn
dây, đây chính là lúc cuộn dây phát xạ bảo hòa, tức là khi này dù có tiếp tục
tăng dòng điện cuộn dây cũng không thể phát xạ thêm điện tử.
2. Thế gia tốc: Thế gia tốc điều khiển kích thƣớc vùng phát xạ điện tử của
cuộn dây, do vậy nó ảnh hƣởng tới cả kích thƣớc nguồn phát xạ và dòng
phát xạ. Nếu thế quá cao, sẽ không có vùng nào của cuộn dây bức xạ,
thƣờng gọi là bị “pinched off”. Mục tiêu chính của việc điều chỉnh thế là
nhằm thay đổi độ sáng của chùm điện tử.
Cuộn dây
Hình 2.8: Ảnh cuộn dây và ống trụ Wehnelt trong máy SEM JEOL-6480LV.
Nguồn phát xạ trường: Gồm một điện trƣờng mạnh (105 to 108 V/cm) đặt
giữa anốt và catốt.
Catốt T là một mũi nhọn sắc (thƣờng làm bằng tungsten), bán kính mũi nhỏ
hơn 100 nm. Hiệu điện thế V1 giữa mũi T và anốt thứ 1 (FA) tạo nên một điện
trƣờng, tâp trung vào mũi nhọn để tạo thuận lợi cho việc phát xạ điện tử. Hiệu
điện thế V0 giữa mũi dò T và anốt thứ hai (SA - đƣợc nối đất), để gia tốc các điện
tử, hiệu thế này đƣợc gọi là thế gia tốc (accelerating voltage). Thế gia tốc càng
lớn, các điện tử càng chuyển động nhanh xuống hệ thống thấu kính từ, và năng
lƣợng càng cao.
Hình 2.9: Sơ đồ nguồn phát xạ trƣờng, gồm mũi phát xạ T, anốt thứ nhất FA, anốt
thứ hai SA. Thế giữa mũi phát xạ T và anốt thứ nhất là ~ 3000V. V0 là thế gia tốc.
b. Hệ thống các thấu kính từ:
Sau khi rời khỏi anốt, chùm điện tử bị phân kỳ nên phải dùng hệ thống các
thấu kính từ để hội tụ chúng thành một điểm trên bề mặt mẫu trong cột chân
không (< 10-3 Pa).
Trong từ trƣờng, các điện tử chuyển động và chịu tác động bởi lực từ:
F
eV B
(2.6)
Với V là vận tốc của điện tử, B là từ trƣờng. Lực này gây cho điện tử
chuyển động theo hƣớng vuông góc với trục kính và xoắn ốc theo trục chùm nhƣ
hình 2.7:
Hình 2.10: Sự chuyển động của điện tử trong thấu kính từ.
Hình a: Từ trƣờng và vật tốc ban đầu của điện tử;
Hình b: Lực từ làm cho điện tử chuyển động xoắn quanh trục A của kính. Lƣu ý
là chùm bị phân kỳ sau khi đi qua khỏi điểm hội tụ,
Hình c: Kết quả chuyển động của điện tử giống nhƣ trong thấu kính quang.
Hệ thống thấu kính từ bao gồm: kính hội tụ 1 và 2 (condenser), và vật kính
nhƣ trong hình 2.7.
Kính hội tụ (condenser): Hoạt động giống nhƣ một thấu kính đơn. Khi gia
tăng dòng qua thấu kính hội tụ, thì tiêu cự của nó giảm và sự phân kỳ tăng nhƣ
trong các hình 2.11 và 2.12 dƣới đây:
Chùm điện tử
Mẩu cực
Khe
Cuộn đồng
Khe khí
Vỏ sắt
Tiêu cự
Hình 2.11: Sơ đồ kính hội tụ và hai khe vào và khe ra (còn gọi là khe giới hạn
limiting aperture) của chùm điện tử.
Tiêu cự
Tiêu cự
Hình 2.12: Sự thay đổi dòng điện trong thấu kính hội tụ làm cho tiêu cự của chùm
điện tử bị thay đổi. Lƣu ý là ta nên chỉnh cho tiêu cự chùm điện tử luôn ở trên khe
ra nhƣ trong hình b và c.
Đƣờng kính chùm điện tử tại điểm dò (spot size) phụ thuộc vào dòng của
chùm điện tử (đƣợc điều chỉnh qua kính hội tụ) và vật liệu chế tạo cuộn dây phát
xạ địện tử. Đƣờng kính này có thể đạt tới ~ 6nm với nguồn phát xạ nhiệt tungsten
thông thƣờng và ~ 3 nm đối với nguồn phát xạ trƣờng khi yêu cầu cƣờng độ lớn.
Mối liên hệ giữa chúng đƣợc diễn tả qua hình 2.13.
Dòng
điện
tử
(A)
Súng phát
xạ trường
Đường kính chùm điện tử (nm)
Hình 2.13: Mối liên hệ giữa đƣờng kính chùm điện tử và dòng chùm điện tử.
Tungsten có kích thƣớc lớn nhất, phát xạ trƣờng và LaB6 có kích tƣớc nhỏ hơn và
tốt hơn.
c.
Hệ thống chân không:
Hệ thống bơm chân không là thiết bị dùng để hút hết khí và hơi của các vật
chất khác nhau ra khỏi thể tích (cột) chứa chùm điện tử. Trong hầu hết các kính
hiển vi điện tử, đều sử dụng hai loại bơm là bơm cơ học (bơm quay dầu) và bơm
khuếch tán.
Đơn vị để đo lƣờng áp suất (chân không) thƣờng là torr hay Pascal. Áp suất
không khí là 760 torr hay 1.01 x 105 Pascal. (1 torr = 133.32 Pascal; 1 Pascal =
0.0075 torr).
Chùm điện tử phải hoạt động trong điều kiện chân không cao vì các lý do
sau đây:
- Tạo quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử lớn hơn chiều dài ống điện tử.
Thông thƣờng áp suất chân không thích hợp khoảng 10-4 torr (<0.1 Pa).
- Tránh phóng điện hồ quang giữa catốt (cuộn dây) và anốt do thế giữa chúng
rất cao. Khả năng cách điện của không khí phụ thuộc vào khá lớn vào áp
suất. Để duy trì điện thế 20 kV giữa bộ phận Wehnelt và anốt ở áp suất 10-4
torr thì khoảng cách giữa chúng khoảng 2 mm, nếu thế cao hơn thì chân
không phải cao hơn.
Vùng phóng
điện khí
Khả
năng
cách
điện
của
không
khí
Hình 2.14: Sự tƣơng quan giữa khả năng cách điện của không khí với áp suất
chân không. Khả năng cách điện đƣợc đo bằng volt/mil (1 mil = 0.0254 mm).
Nguồn ảnh: http://www- rhvd. fnal.gov /meetings /monday_meetings
/presentations/sergio1.html.
-
-
Hạn chế việc va chạm giữa các điện tử trong chùm với các phân tử còn sót lại
trong buồng. Vì việc va chạm có thể làm tán xạ chùm điện tử hay làm bay
hơi các phân tử hữu cơ (ví dụ nhƣ dầu chân không) làm nhiễm bẩn buồng
chân không.
Bảo vệ cuộn dây catốt không bị oxi hóa.
Trong chân không các tia X mềm (soft X ray nhƣ B-kα) không bị mất mát do
hấp thu khi truyền đi.
Trong hầu hết các kính hiển vi điện tử đều dùng bơm quay dầu và bơm
khuếch tán dầu. Khi cần chân không siêu cao thì bơm phân tử turbo đƣợc thay
cho bơm khuếch tán.
Bơm quay dầu hút buồng chân không tới ~ 10-3 torr, thì mở van bơm
khuếch tán để hút chân không cao hơn ~ 10-6 torr.
Hình 2.15: Sơ đồ hệ bơm chân không. (1) van ngăn cách súng điện tử; (2) cửa sổ
ngăn giữa máy quang phổ và buồng chân không; (3) nút thay mẫu; (4) bể chân
không ballast tank; (5) bơm quay dầu; (D) bơm khuếch tán dầu.
Buồng
chứa mẫu
Cửa van
Bơm khuếch
tán
Bơm
cơ
Hình 2.16: Sơ đồ hoạt động của hệ chân không.
Ban đầu bơm quay dầu 1 (sơ cấp 1) hoạt động, hút khí theo đƣờng màu
xanh và lục. Khi áp suất khoảng 1 torr, cửa van mở ra cho bơm khuếch tán hoạt
động, hút theo đƣờng màu đỏ, và bơm 1 đóng. Bơm khuếch tán đƣợc hỗ trợ bởi
bơm cơ 2. Bể chân không (ballast tank) dùng để chứa khí trong thời gian ngắn khi
bơm 1 và 2 tắt đi.
Bơm quay dầu:
Tùy theo cấu tạo, có thể chia loại bơm quay dầu thành nhiều kiểu: rotor – lá
gạt, stator – lá gạt, van trƣợt. Trong phần này, chúng tôi xin trình bày bơm stator –
lá gạt.
Bơm stator – lá gạt (bơm cơ):
-
Cấu tạo: Bơm gồm có một hình trụ rỗng (stator) và một hình trụ đặc (rotor).
Hai hình trụ này đặt lệch tâm nhau và luôn tiếp xúc nhau ở điểm F. Stator có
hai lỗ: lỗ hút khí và lỗ tỏa khí. Lá gạt C-D nằm dọc đƣờng kính rotor và luôn
luôn tiếp xúc với thành (phía trong) của stator nhờ lò xo nén.
Khí
ra
Khí
vào
Dầu
Hình 2.17: Sơ đồ bơm stator – lá gạt.
Hoạt động: Khi rotor quay theo chiều kim dồng hồ thì thể tích vùng hút khí tăng
lên, do đó áp suất trong thể tích cần hút nối với bơm giảm.
Khi lá gạt A đạt đến lỗ hút khí nhƣ hình 2.18, thì vùng khí trở thành vùng
truyền. Khi lá gạt B đạt đến lỗ tỏa khí, thì vùng truyền trở thành vùng tỏa khí và
khí sẽ thoát ra ngoài. Qúa trình đƣợc lăp lại cho đến khi các phân tử không khí
trong buồng chân không bị hút gần hết.
Hình 2.18: Sơ đồ hoạt động của bơm stator – lá gạt.
Van tỏa khí F và rotor đƣợc nhấn trong dầu để tránh khí lọt từ ngoài vào,
tạo độ nhớt khi rotor chuyển động, làm mát bơm khi đang hoạt động, và để bẫy
các phân tử không khí.
Bơm khuếch tán dầu:
Bơm hoạt động bằng việc đun sôi dầu ở đáy bơm. Các phân tử dầu bay hơi
với tốc độ siêu âm (400 m/s) lên các vách ngăn hình phễu và hƣớng về mọi hƣớng.
Các phân tử không khí bị dồn nén và bị cuốn vào các dòng hơi dầu. Thành bên
ngoài của bơm đƣợc làm lạnh bằng các dòng nƣớc cuộn quanh bơm. Khi hơi dầu
chạm vào thành ngoài của bơm, chúng sẽ nguội đi, tụ lại thành chất lỏng và
chuyển xuống đáy bơm đồng thời chúng cũng kéo theo các phân tử không khí bị
hấp thụ. Tại đáy bơm, dầu lại tiếp tục bị nung nóng và giải phóng các phân tử
không khí, và các phân tử không khí này sẽ bị một bơm cơ khác hút ra. Áp suất
chân không đạt đƣợc đối với bơm khuếch tán là 10-5 to 10-6 torr.
Chân không cao
Các
cuộn
nước
làm
lạnh
Hơi dầu
Dòng khí được bơm
cơ hút ra
Chân không thấp
Tấm
chắn
nhiệt
Dầu sôi
Bếp nung
Hình 2.19: Sơ đồ bơm khuếch tán dầu.
- Xem thêm -