Смотровое окно в сосудах

На данный момент в вакуумной технике широкое распространение получили смотровые окна из:

1. Боросиликатного стекла 7056 и 7740.
2. Фторида магния.
3. Сапфира.
4. Плавленого кварца.
5. Фторида кальция.
6. Сульфида и селенида цинка.

Рассмотрим эти материалы более подробно.

Стекло 7056

Стекло 7056 имеет полосу пропускания в диапазоне от 0,4÷2,2 мкм с коэффициентом отражения 90%, применяются при давлении от 1 атм до 10-11 мбар, довольно стойки к термоудару и способны выдерживать температуру прогрева от 150 °С до 400 °С в вакууме в зависимости от типа фланца. На данный момент доступны модели с диаметром рабочей зоны да 253 мм.

Сапфировые стёкла

Пропускание сапфировых стекол в первую очередь зависит от направления кристаллической оси – стандартное исполнение 90 градусов (т.е. параллельно плоскости смотрового окна), но также доступны окна с ориентацией оси 0 градусов. Существует две разновидности кристалла – с улучшенным пропусканием в УФ и ИК областях (0,2÷4,5 мкм) и с обычным пропусканием на диапазоне 0,3÷4 мкм на уровне 80÷90% (график 1).

График 1 – Спектральная характеристика пропускания сапфира.

Доступны стекла с повышенным пропусканием в УФ диапазоне до диаметра 25 мм – это связано с трудностью выращивания кристалла сапфира. Вводы из обычного сапфира доступны до номинального диаметра 50 мм.

Стёкла из плавленного кварца

Плавленый кварц обладает несколькими преимуществами перед обычными стеклами, а именно:

1. Более высокое пропускание в УФ области.
2. Маленький коэффициент термического расширения.
3. Высокая износоустойчивость.
4. Повышенная стойкость к термоудару.

Существует несколько разновидностей кварца, используемого для производства смотровых окон. В зависимости от структуры, легирования и способа получения материала изменяется его пропускание на краях диапазона пропускания стекла. Например, для материала (4) На графике 2 не наблюдается обычных пиков поглощения в ИК области, так как в данном материале содержится минимальное количество -ОН групп, обуславливающих поглощение в этом диапазоне длин волн. Доступны вакуумные вводы с номинальным диаметром от 20 до 203 мм.

График 2 – Спектральные характеристики разных видов кварца.

В дальнем ИК диапазоне обычно используются окна из селенида цинка, которые пропускают 70% излучения в диапазоне 1÷16 мкм.

Стёкла из фторида кальция и сульфида цинка

Фторид кальция и сульфид цинка применяются для длин волн до 10 мкм, а фторид магния – в диапазоне 0,2÷5 мкм. Доступны вводы с окнами из данных материалов с диаметром рабочей зоны 23,1 мм и 47,8 соответственно. Спектральные характеристики фторида магния и стекла 7056 приведены на графике 3. В основном эти материалы получили широкое распространение в ИК оптике и вакуумной аналитической аппаратуре.

График 3 – Спектральные характеристики фторида магния и стекла 7056.

Заслонки для смотровых окон

Для защиты смотрового окна в процессе напыления используются специальные заслонки, которые устанавливаются между камерой и смотровым окном. Герметизация ввода вращения, регулирующего положение заслонки, осуществляется с помощью сильфонного уплотнения, которое делает возможным прогрев до 230°С. Угол открытия заслонки может достигать 85 градусов в зависимости от диаметра и конструкции порта, к которому заслонка подсоединяется. Привод вращения иногда оснащается механизмом инкрементного типа для частичного открытия заслонки и предотвращения ее полного открытия или закрытия во время напыления.

В некоторых случаях можно обойтись и без заслонки во время напыления, например, если установить между смотровым окном и камерой защитную стеклянную пластину, которая будет запылятся по время проведения процесса вместо смотрового окна. При необходимости эта пластина может быть вытащена из камеры и протравлена для удаления осевшего на него слоя материала.

Иногда удобно открывать заслонку с помощью постоянного магнита – в этом случае заслонка из магнитомягкого материала прикрепляется на внутреннюю часть дверцы посредством болтового соединения. В ходе процесса заслонка будет открываться, если оператор поднесет к ней магнит, а закрываться – если уберет его от заслонки. Все смотровые окна могут быть выполнены с фланцами:

1. CF.
2. ISO.
3. KF.
4. LF.

В самом распространенном случае герметизация осуществляется путем припайки кольца из ковара к стеклу. Такие вводы неразъемные (само стекло не может быть заменено) и припой обладает магнитными свойствами, что может повлиять на работу в условии сильного магнитного поля. Для высоковакуумного применения используются эластомерные уплотнения – они позволяют менять при необходимости стекло, но уменьшают температуру прогрева фланцев до 150°С и стойкость к термоудару (особенно если смотровое окно неправильно затянуто).

Для особо ответственных применений (коррозионная среда, криогеника или сверхвысокий вакуум) используется специальная технология герметизации VacOptics. При изготовлении окна используются специальные немагнитные материалы с низкими парциальными давлениями. Герметизация осуществляется двумя алюминиевыми кольцами. Такая технология позволяет герметизировать смотровые окна практически из любого материала (фторид магния, селенид цинка и пр.) при этом сохраняя возможность прогрева окна до высоких температур в вакууме и стойкость к термоудару.

Смотровое окно для трубопроводов