Большая энциклопедия техники

Коллектив авторов

Магнитные электроразрядные насосы

Магнитные электроразрядные насосы – принцип действия: в отличие от ионно-геттерных насосов с термическим испарением титана в магнитных электроразрядных насосах для получения активных пленок и для ионизации газов используются разряд в магнитном поле и вызванное им катодное распыление титана. Вследствие этого в магнитных электроразрядных насосах устранен такой существенный недостаток, присущий ионно-геттерным насосам, как наличие накаленных элементов электродной системы.

Схема простейшего диодного магнитного электроразрядного насоса выглядит следующим образом: анод насоса образован из отдельных разрядных ячеек, с открытых концов которых расположены общие катоды из титана.

Эта электродная система помещается в магнитное поле, перпендикулярное плоскости катодов. При подаче на электроды разности потенциалов в несколько киловольт в ячейках возникает газовый разряд, который благодаря

магнитному полю поддерживается в широком диапазоне давлений. Положительные ионы газов, образующиеся в разряде при соударении электронов с молекулами, ускоряются электрическим полем в направлении катодов и внедряются в них, вызывая распыление материала катодов. Распыленный с катодов титан оседает главным образом на аноде. Активные газы (азот, кислород), присутствующие в вакуумной системе, попадая на свеженанесенную на аноды пленку, связываются на ней, образуя устойчивые химические соединения с титаном. Образующиеся при реакциях устойчивые соединения – нитриды или окислы титана – могут возникать и на катоде в момент попадания туда ионов или молекул азота и кислорода. Однако из-за сильного распыления материала катода активные газы, в конце концов, оказываются в основном на аноде, оставаясь лишь на их участках катода, которые почти не подвергаются «минной» бомбардировке. Многоатомные газы, пары воды, углекислый газ, аммиак, углеводороды, по-видимому, диссоциируют в разряде. Ионы осколков молекул также вызывают распыление материала катода. Ионы легких газов (водород, дейтерий, гелий) не вызывают заметного распыления материала катода. Для них более существенным является второй механизм откачки: ионы легких газов, имеющие малые размеры, могут внедряться в материал катода и диффундировать и его. Таким образом, быстрота действия магнитного электроразрядного насоса зависит от рода газа или пара.

Первоначально относительно высокая быстрота действия насоса по этим газам постепенно уменьшается, особенно для гелия, не образующего с титаном твердых растворов. При бомбардировке материала катода ионами тяжелых газов или при нагреве его разрядом до температуры свыше 470 К наблюдается обратное выделение легких газов. Тяжелые инертные газы – аргон, криптон и ксенон – откачиваются благодаря адсорбции ионов катодом. Вследствие больших молекулярных размеров диффузия этих газов в катод затруднена, и первоначально высокая быстрота действия насоса по газам резко уменьшается. Поглощение этих газов происходит в основном на периферийных участках ячеек катодов, куда наносится титан, интенсивно распыляемый тяжелыми ионами из центральных частей ячеек катодов. При откачке аргона с давлением около 10^{– 3} Па и при длительной откачке воздуха с давлением больше 10^{– 3} Па, содержащего 1% аргона, наблюдается резкое периодическое повышение давления, называемое аргонной нестабильностью. Тем не менее присутствие аргона с парциальным давлением меньше 10^{– 3} Па при периодическом обезгазивании насоса оказывается полезным, так как при этом интенсифицируется распыление материала катода и увеличивается скорость откачки активных газов.

Таким образом, важной особенностью магниторазрядных насосов является своеобразная авторегулировка скорости испарения материала катодов, обеспечивающая экономное расходование материала и большой срок службы насоса. Поскольку ионный ток приблизительно пропорционален давлению, он часто используется для оценки давления в насосе и откачиваемом сосуде. Простота устройства и возможность работы в любом положении также выгодно отличают магнитные электроразрядные насосы от других.

Для понимания работы магниторазрядных насосов, помимо различий в механизме поглощения различных газов, необходимо иметь в виду изменение характера газового разряда с изменением давления. При давлении больше 10^{– 1} Па ток разряда велик вследствие большой электропроводности разрядного промежутка; чтобы разряд при этом не перешел в дуговой, ток разряда специально ограничивается (в малых насосах используется балластное сопротивление, в крупных насосах используют более сложные электрические цепи), что приводит к уменьшению падения напряжения на разрядном промежутке. При этом уменьшается энергия ионов и, следовательно, резко снижается скорость распыления материала катодов. Поэтому быстрота действия насоса при высоких давлениях невелика, а относительно большой ток вызывает разогрев электродов и сильное газовыделение, вследствие чего давление в системе повышается. В этих условиях целесообразно продолжать откачку насосом предварительного разрежения до начала периода пуска, когда эффект откачки магнитным электроразрядным насосом становится заметным.

В период пуска, который может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от состояния насоса, давление понижается от 10^{– 2} до 1 Па и разряд принимает форму, характерную для высокого вакуума. Сопротивление разрядного промежутка увеличивается,

ток уменьшается, и происходит рост анодного напряжения, что ведет к увеличению быстроты действия насоса. Период пуска завершается относительно быстрым переходом в область высокого вакуума; ток продолжает уменьшаться пропорционально давлению, анодное напряжение и быстрота действия насоса достигают номинальных значений.

Конструкции и характеристики. Конструкции магниторазрядных насосов довольно разнообразны, что объясняется различиями в условиях их применения. В одних случаях от насоса требуется длительная работа в области предельно низких давлений, в других – насос должен использоваться в циклических производственных процессах с частыми пусками, в ряде случаев от магнитного электроразрядного насоса требуется повышенная эффективность откачки инертного газа и т. п.

Во всех отечественных магнитных электроразрядных насосах геометрические размеры ячейки примерно одинаковы и быстрота действия одной ячейки составляет примерно 1 л/с. Поэтому для получения высокой быстроты действия в насосах используется несколько электродных блоков, каждый из которых содержит большое количество ячеек.

Как отмечалось, недостатком магниторазрядных насосов является длительный период пуска. Кроме того, прохлаждаемые диодные магнитные электроразрядные насосы не могут длительно работать при давлениях больше 10^{– 3} Па из-за перегрева электродов. Этот недостаток устранен в диодных магнитных электроразрядных насосах с водяным охлаждением анодов электродного блока, что позволяет успешно запускать эти насосы при давлении меньше 5 Па и длительно работать при давлении 10^{– 1} Па. В насосах с водоохлаждаемым анодом, в отличие от диодных неохлаждаемых насосов, высокое отрицательное напряжение подается на катоды, изолированные от корпуса, а анод насоса заземлен.

Существует серия магнитных электроразрядных насосов с охлаждаемыми анодами. Состав остаточных газов в хорошо обезгазенной системе, откачиваемой магнитным электроразрядным насосом, состоит из обычно присутствующих во всех вакуумных системах водорода, азота, окиси углерода, аргона и метана. Разработанные блоки питания к магнитным электроразрядным насосам имеют по мощности такие характеристики, при которых максимальная мощность выделяется при наибольших давлениях устойчивой работы. С увеличением мощности блока питания возрастает быстрота действия насоса в области высоких давлений, но одновременно возрастают габариты и масса источника питания, тепловыделение на электродах насоса и возникает опасность возникновения дугового разряда между электродами. В связи с этим обычно разрядный ток для диодных неохлаждаемых насосов, приходящийся на одну ячейку, ограничивают сверху 0,5 мА, для охлаждаемых диодных насосов – 3 мА и триодных насосов – 4 мА.

Практические указания по эксплуатации. Поскольку состояние внутренних поверхностей магнитного электроразрядного насоса оказывает решающее влияние на его работоспособность, нельзя допускать попадания в насос загрязнений. При кратковременных вскрытиях на атмосферу вакуумной системы с магнитным электроразрядным насосом желательно заполнять ее осушенным воздухом или азотом для предотвращения попадания в насос влаги; в вакуумных системах, длительное время соприкасающихся с атмосферным воздухом, желательно иметь кран между насосом и системой. Совершенно недопустима предварительная откачка вакуумной системы насосами с масляным уплотнением, не защищенными надежной ловушкой, так как это приводит к загрязнению вакуумной системы и магнитного электроразрядного насоса углеводородами. Лучше всего для этой цели использовать адсорбционные насосы. После кратковременного вскрытия на атмосферу чистой установки с работавшим магниторазрядным насосом время пуска в небольших системах не превышает нескольких минут, в крупных – около 30 мин. У нового, еще не работавшего или загрязненного насоса время пуска значительно больше за счет сильного газовыделения поверхностей.

Улучшить характеристики насоса в области низких давлений можно путем аргонной обработки. Для этого в работающий магнитный электроразрядный насос через натекатель впускается аргон (давление 5 x 10^{– 1} – 5 Па), который в это же самое время откачивается вспомогательным насосом.

Продолжительность аргонной обработки – около одного часа. Интенсивное ионное распыление при аргонной обработке создает на электродах свеженапыленные слои титана, не содержащие сорбированных газов, одновременно происходит обезгазивание насоса прогревом энергией, выделяющейся на электродах. После аргонной обработки насос быстро достигает низких давлений. Следует иметь в виду, что длительная работа насоса при высоких давлениях (порядка 1—10^{– 1} Па) создает условия для попадания проводящего слоя титана на изоляторы и приводит к замыканиям в электродной системе. Запуск магнитного электроразрядного насоса значительно облегчается при понижении начального давления до значений ниже 10^{– 1} Па.