Магниторазрядные насосы

Широкое распространение магниторазрядных насосов объясняется их высокими техническими характеристиками, простотой эксплуатации и обслуживания, высокой надежностью и большим ресурсом работы. Основная откачка активных газов магниторазрядными насосами осуществляется в результате хемосорбции газов постоянно возобновляемой пленкой титана. Непременным условием эффективной и устойчивой работы магниторазрядных насосов является соответствие количества распыляемого титана количеству поступающего газа. При приложении разности потенциалов между электродами разрядного блока, находящегося в вакууме, в ячейках насоса возникает электрический разряд.

Принцип устройства магниторазрядного насоса показан на рис. 5.24.

Рисунок 5.24 – Принцип устройства магниторазрядного насоса

Плоские титановые катоды 1 и анод 2, состоящие из многих прямоугольных или круглых ячеек, образуют электродный блок, который помещается в магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 3. Каждое отверстие в аноде вместе с противолежащими участками катодов образует разрядную ячейку насоса. При приложении разности потенциалов между электродами разрядного блока, находящегося в вакууме, в ячейках насоса возникает электрический разряд.

Для возникновения разряда достаточно случайного присутствия в разрядном промежутке нескольких электронов. Под действием сильного магнитного и электрического полей электроны движутся по спирали вокруг оси разрядной ячейки. На своем пути электроны производят ионизацию газа. Образующиеся положительные ионы, бомбардируя катод, распыляют титан из катодных пластин. Поскольку основная часть распыляемых частиц титана представляет собой электрически нейтральные атомы и молекулы, они осаждаются на все поверхности электродов, но в основном на анод. Активные газы, попадая на непрерывно возобновляемую пленку титана, хемосорбируются ею. Катоды также поглощают газы, но из-за постоянного распыления большей части их поверхности вклад катодов в процесс откачки активных газов незначителен.

Таким образом, основным механизмом при откачке активных газов является хемосорбция газов непрерывно напыляемой на аноде пленкой титана. Наряду с этим в магниторазрядных насосах имеет место проникновение ионов в материал катода. Последнее характерно для откачки легких газов — водорода и гелия. Водород легко диффундирует в титане, образуя твердые растворы. Непрерывное поступление ионов водорода на поверхность катодов создает повышенную концентрацию водорода на поверхности, которая приводит к диффузии водорода в глубь катодов. Если в откачиваемом сосуде присутствует только водород, поглощение его титановым катодом является основным механизмом откачки, поскольку распыление материала катода в результате бомбардировки его ионами водорода мало и основной механизм откачки магниторазрядных насосов — хемосорбция напыляемой пленкой титана в значительной степени ослабляется. Если откачивается смесь водорода с более тяжелыми газами, то распыление титана происходит интенсивнее и заметная часть водорода откачивается на других поверхностях насоса.

Откачка тяжелых инертных газов преимущественно осуществляется катодами. В силу больших размеров и соответственно малой подвижности ионов этих газов диффузия их вглубь катода практически отсутствует. При бомбардировке катодов ионами инертных газов, например аргона, поверхностный слой распыляется, в результате чего вновь высвобождается ранее поглощенный аргон. Таким образом, ионы аргона необратимо поглощаются только небольшими участками катодов, которые не подвержены эффективной бомбардировке ионами газа.

Внедрение ионов инертных газов в материал катода сопровождается замуровыванием ионов, распыляемым титаном. Такой механизм, хотя и не создает большой быстроты действия, является основным при откачке инертных газов магниторазрядным насосом.

Поскольку химическая активность различных газов и эффективность распыления титана их ионами различны, быстрота действия магниторазрядных насосов существенно зависит от рода откачиваемого газа.

Несмотря на высокие технические характеристики магниторазрядный насос, как и любое другое реальное устройство, имеет ряд недостатков. К ним относятся:

- значительная избирательность по отношению к различным газам;

- чувствительность к загрязнениям (особенно углеводородам);

- малый ресурс работы при давлении выше 10^-3 Па;

- наличие магнитных полей рассеяния;

- наличие вторичной электронной эмиссии;

- вылет из насоса паров геттерного материала;

- необходимость в высоковольтных источниках питания.

Поэтому при проектировании вакуумных систем необходимо предусматривать такие схемы и режимы эксплуатации магниторазрядных насосов, которые позволяли бы с наибольшей полнотой использовать их положительные качества и сводить к минимуму влияние отрицательных.

Повышение эффективности откачки инертных газов достигается при использовании триодного магниторазрядного насоса (рис.5.25). Электродный блок образует анод, располагаемый в середине, и два катода. Коллектором является корпус насоса. Катоды триодного насоса имеют ячеистую структуру, в силу чего положительные ионы, образующиеся в разряде при работе триодного насоса, бомбардируют катод не под прямым углом, как в диодном насосе, а под острым углом, что существенно увеличивает эффективность распыления титана, который равномерно осаждается на корпусе насоса. Благодаря триодной схеме и ячеистой структуре катодов часть ионов, движущихся из области анода, достигает коллектора (корпуса насоса). Ионы, достигнувшие коллектора, обладают малой энергией и не могут вызвать вторичного распыления титана с коллектора при их поглощении.

1 – катоды; 2 – анод; 3 – постоянный магнит; 4 – балластное сопротивление.

Рисунок 5.25 – Принципиальная схема триодного магниторазрядного насоса

Криогенные насосы

В последние годы стали более широко применять криогенные насосы. Такие насосы создают практически стерильный вакуум, просты в обслуживании, экономичны. Недостатком является необходимость выделения дополнительной площади под их установку.

Криогенная откачка может осуществляться за счет конденсации или адсорбции.

Криоконденсационнаяоткачка возможна при условии, что давления откачиваемого газа в вакуумной системе выше давления его насыщенных паров в насосе. В связи с тем, что теплоты конденсации обычно меньше теплот адсорбции, криоконденсация по сравнению с криоадсорбцией наблюдается при более низких температурах, что затрудняет техническую реализацию.

Криосорбционные насосы представляют собой ловушки, удаление газа которыми осуществляется за счет физической адсорбции на специальных охлаждаемых поверхностях адсорбентов, в качестве которых чаще всего используются цеолиты. Этот процесс предназначен прежде всего для удаления ненасыщенных паров и конденсируемых газов. Когда все свободные состояния заполнены, наступает насыщение поверхности ловушки. Таким образом, криосорбция представляет собой одно из звеньев в цепи операций и требует периодической регенерации сорбирующей поверхности путем термически индуцируемой десорбции. Для увеличения емкостей криосорбционные насосы изготавливаются на основе пористых материалов с большой площадью внутренних поверхностей. Кроме того, необходимо охлаждение адсорбента, поскольку теплоты адсорбции неконденсируемых газов настолько малы, что их десорбция имеет место уже при температурах ниже комнатной. Молекулы откачиваемого газа оседают в виде мономолекулярного слоя на поверхности сорбента, которым является микропористый слой предварительно сконденсированного на криопанели легкоконденсируемого газа. Основным отличием криосорбционных насосов от конденсационных является способность путем криосорбции откачивать низкокипящие газы (гелий, водород), обеспечиваемая применением охлаждаемых адсорбентов. В качестве адсорбента в криосорбционных насосах могут использоваться цеолиты, активированный древесный уголь, пористый никель, оксидная пленка алюминия и другие материалы. По конструкции криосорбционные насосы мало отличаются от конденсационных. Криоадсорбционные насосы погружного типа используются для работы в низком вакууме а заливного – для работы в высоком вакууме ( рис. 5.26).

Разница в конструкции состоит в том, что сосуд Дьюара 4 для размещения криоагента 5 в насосах погружного типа выполняют сьемным, а в насосах заливного типа вакуум, создаваемый самим насосом, используется для теплоизоляции. Нагреватель 3 служит для регенерации адсорбента после его насыщения откачиваемым газом. Адсорбент 1 для предотвращения загрязнения и улучшения условий охлаждения помещается внутри пористого металлического фильтра 2.

Криосорбционные насосы обладают высокой производительностью, высокой чистотой получаемого вакуума (“стерильный вакуум”, отсутствие паров масла и ртути). К достоинствам можно также отнести простую и быструю регенерацию адсорбента (нагрев).

Недостатками является сложность конструкции, необходимость применения жидкого азота, необходимость применения дополнительного насоса для повышения эффективности.

1 – адсорбент; 2 – фильтр; 3 – нагреватель для регенерации адсорбента; 4 - сосуд Дьюара; 5 – криоагент.

Рисунок 5.26 – Криосорбционный насос

Криоконденсационнаяоткачка осуществляется путем адсорбции газов на охлаждаемых поверхностях. Принцип действия криогенных насосов аналогичен принципу охлаждаемых ловушек, с той разницей, что в них применяются для охлаждения существенно более низкие температуры (рис.5.27).

1 – откачиваемый объем, 2 – сконденсировавшиеся молекулы газа, 3 – жидкий гелий (4К), 4 –пар

Рисунок 5.27– Схема криоконденсационного насоса

В этих насосах через металлический сосуд, защищенный от теплового излучения охлаждаемыми ловушками и находящийся внутри откачиваемого объема, пропускается жидкий гелий (температура кипения Т_к = 4К), водород (Т_к = 20К) или азот (Т_к = 76К), при давлении насыщенных паров газа они начинают конденсироваться на стенках насоса.