Геттерные насосы

Принцип действия и основные характеристики. Основным механизмом удаления газа в геттерных и геттерно-ионных насосах является хемосорбция газа возобновляемой пленкой геттера. В простейшем случае геттерный насос представляет собой сосуд, в котором на какую-либо поверхность постоянно наносится слой геттера.

В серийных вакуумных насосах в качестве геттера используется титан — металл темно-серого цвета. Титан,

вступая в реакцию (хемосорбируя), образует устойчивые соединения почти со всеми газами и парами углеводородов, присутствующими в вакуумных системах. В обычных условиях на поверхности титана быстро образуется прочная и непроницаемая для газа пленка окислов и других соединений. Благодаря защитной пленке в насосе сохраняется запас геттера.

Среди серийно выпускаемых насосов к чисто геттерным относится, например, сорбционный титановый охлаждаемый насос СТОН-20М. В корпусе 1 насоса (рис. 4-6) размещены испаритель 2 и охлаждаемый жидким азотом экран 3. Внешние поверхности экрана полированы. Поверхность экрана, обращенная к испарителю, является поверхностью конденсации испаряемого титана.

Для подачи и поддержания постоянного уровня азота в пустотелом экране над насосом устанавливается сосуд Дьюара 4. На торцевой стороне поверхности корпуса, в котором расположен испаритель титана, под патрубком имеется другой патрубок с фланцем 5 для присоединения вспомогательных средств откачки. Фланцем 6 насос присоединяется к откачиваемому сосуду. Кроме того, в комплект насоса входят съемный внешний нагреватель и блок питания испарителя (на рисунке не показаны).

Испаритель, показанный на рис. 4-7, представляет собой электродную систему, в которую входят охлаждае-мыи водой анод 1 и электронная пушка 2, храпо-вый механизм подачи проволоки 3 с приводом 4 и барабан 5, смонтированные на стойке 6, закрепленной на пристыковоч-ном фланце 7 испарителя. На другой стороне фланца размещены токовводы 8 для питания электродной системы и привод механизма подачи проволоки. Фланцевые соединения выполнены с медным уплотнителем. На барабан наматывается титановая проволока, конец которой пропускают в отверстие в центре охлаждаемого анода. Для предотвращения запыления пристыковочного фланца насоса в процессе работы

испарителя над центром анода расположен защитный экран 9.

Испарение титана происходит из жидкой фазы. Нагрев конца проволоки осуществляется электронным лучом. Луч создается и фокусируется электронной пушкой с магнитным отклонением.

Насос предназначен для откачки газов, кроме инертных и воздействующих на материалы конструкции, в диапазоне давлений 10~⁸—10“⁴ Па (10“¹⁰—10~⁶ мм рт. ст.). Своим пристыковочным фланцем насос крепится непосредственно к откачиваемому сосуду. К насосу, _# а чаще к откачиваемому сосуду присоединяют вспомогательные средства откачки, позволяющие создавать разрежение около 10^-7 Па (10^-9 мм рт. ст.) с быстротой откачки около 50 л/с в диапазоне давлений 10^-6 — 10~² Па (10~⁸— 10~⁴ мм рт. ст.). Геттерный насос обычно работает параллельно со вспомогательными средствами откачки, которыми осуществляется откачка инертных газов. Последнее относится ко всем геттерным насосам, поскольку их быстрота действия по инертным газам меньше 1 % быстроты действия по воздуху.

Предельное остаточное давление, создаваемое насосом, меньше 2,5-10-⁸ Па (2,0-10-¹⁰ мм рт. ст.). Быстрота действия насоса по воздуху 4800 л/с при давлении 10^-4 Па (10~⁶ мм рт. ст.). График быстроты действия насоса приведен на рис. 4-8. Увеличения быстроты действия в области высоких впускных давлений можно достичь увеличением интенсивности испарения титана. Однако увеличение интенсивности испарения при работе насоса при низких впускных давлениях не дает заметного увеличения быстроты действия.

Эксплуатация и обслуживание. Сорбционный титановый охлаждаемый насос СТОН-20М поступает с завода-изготовителя герметично закрытым и заполненным сухим азотом. После извлечения насоса из упаковочной тары чистой сухой бязью насос очищают от возможных внешних загрязнений. Снимают заглушку с пристыко-вочного фланца насоса. Внешним осмотром убеждаются в сохранности насоса. Несколькими включениями проверяют работоспособность механизма подачи проволоки. Устанавливают титановую проволоку таким образом, чтобы конец ее выступал над внешней поверхностью анода на 3—4 мм. Насос присоединяют к откачиваемому сосуду. Подсоединяют вспомогательные средства откачки, проверяют их работоспособность и герметичность всей вакуумной системы. Подключают электропитание насоса. После достижения разрежения 10~³ Па (10~⁵ мм рт. ст.) производят пробные включения испарителя и механизма подачи проволоки.

Затем насос и всю вакуумную систему готовят к прогреву с целью обезгаживания. Для этого снимают разъемы с токовводов и электродвигатель механизма подачи проволоки. Отъединяют шланги подачи воды. На насос устанавливают нагреватель. Аналогично должен быть подготовлен откачиваемый сосуд, т. е. с него должны быть сняты элементы, не допускающие нагрева; из систем охлаждения должны быть удалены хладо-агенты (вода и жидкий азот); обеспечены условия равномерного нагрева. Прогрев насоса следует производить одновременно с прогревом откачиваемого сосуда.

Включают вспомогательные средства откачки. После достижения давления ниже 10“³ Па (10~⁵ мм рт. ст.) плавно повышают температуру корпуса насоса до 400°С. Рекомендуемая длительность первого прогрева 10—20 ч. В дальнейшем длительность прогрева может быть снижена до 4—6 ч. При прогреве давление в системе рекомендуется поддерживать на уровне 10~³—г—10~² Па (10~⁵-4-10^-4 мм рт. ст.).

После окончания прогрева, не снимая нагревателя, насосу дают возможность остыть до комнатной температуры. Интенсивное принудительное охлаждение насоса может привести к появлению течей в сварных швах в результате действия внутренних напряжений в металле, -возникающих при большой разнице температур различных участков корпуса. Наиболее часто наблюдается появление течей в охлаждаемом экране, когда нагреватель снимается сразу после его выключения.

Вообще во избежание появления течей в сварных соединениях при прогреве сложных вакуумных систем с резко отличающимися по теплоемкости (металлоемкости) и теплопроводности узлами системы следует добиваться предельной равномерности и постепенного нагрева и охлаждения. Время повышения температуры до 400°С должно составлять 2—3 ч. Время остывания от 400°С до 60—80°С должно составлять 3—4 ч. Неравномерность нагрева различных участков системы не должна превышать 20—25°С.

После охлаждения корпуса насоса до температуры ниже 100^QC снимают нагреватель. После охлаждения насоса до комнатной температуры устанавливают электродвигатель, подсоединяют шланги подачи воды, соединяют кабель электропитания насоса, устанавливают сосуд Дьюара для охлаждения экрана. Производят откачку насоса высоковакуумными вспомогательными средствами откачки.

После достижения давления ниже 6,6* 10~³ Па (5-10~⁵ мм рт. ст.) охлаждают экран до температуры жидкого азота и производят пуск насоса. Для этого подают воду на охлаждение испарителя. (Включение испарителя без охлаждения водой категорически запрещается, так как в период установления необходимой интенсивности луча и скорости испарения электронный луч в какой-то момент времени может оказаться сфокусированным не на титановой проволоке, а на аноде испарителя и прожечь его.) Включают питание испарителя. Последняя операция — установление необходимого для поддержания заданного давления интервала подачи проволоки. Длительность одного цикла испарения 15 с. Интервал между циклами испарения, соответственно интервал подачи проволоки может регулироваться от 15 до 120 с. Выключение насоса производится в обратной последовательности.

В процессе эксплуатации титановая пленка, осаждаемая на экране, начинает отслаиваться. Время начала и интенсивность отслаивания пленки зависят от режима эксплуатации, количества испаренного титана, количества вскрытий насоса на атмосферу и количества прогревов установки. Отслаивание пленки может вызвать снижение быстроты действия насоса на 30—40%. Поэтому желательно своевременно удалять отслаивающуюся пленку.

Для удаления отслоившейся пленки насос отстыковывают от откачиваемого сосуда, снимают испаритель, производят чистку внутренних поверхностей насоса. После снятия отслоившейся пленки мелкозернистой наждачной бумагой очищают запыленные поверхности. Производя чистку насоса, не следует забывать о токсичности титана и в особенности его пыли. Работать надо в очках и с респиратором. На руки должны быть надеты рукавицы или перчатки из плотной ткани, так как мелкие частицы титана сгорают при сильном механическом воздействии.

Периодичность обслуживания насоса устанавливается опытным путем индивидуально для каждого конкретного производства и технологического процесса, осуществляемого на установке.

Эксплуатация и обслуживание других типов геттер-ных насосов аналогичны.

• Геттерно-ионные насосы

Принцип действия и основные характеристики. Помимо геттерных насосов, отечественная промышенность выпускает серию геттерно-ионных насосов (ГИН). В отличие от пароструйных геттерные и геттерно-ионные насосы не требуют форвакуума. Однако геттерные почти всегда, а геттерно-ионные насосы довольно часто работают параллельно со вспомогательными высоковакуумными средствами откачки. Как уже говорилось, назначение вспомогательных средств откачки—создать предварительное разрежение, необходимое для начала работы геттерного или геттерно-ионного насоса, а затем в процессе работы этих насосов откачивать инертные газы. Хотя быстрота действия геттерно-ионных насосов по инертным газам относительно мала, однако по абсолютной величине часто бывает достаточна для того, чтобы после выхода на режим вести откачку без вспомогательных средств откачки.

Среди геттерно-ионных насосов одним из распространенных насосов является ГИН-5, который схематично изображен на рис. 4-9. Насос ГИН-5 состоит из охлаждаемого водой корпуса /, в котором расположены прямоканальные титано-молибденовые испарители 2, центральный непрогреваемый анод 3, катоды 4 и прогреваемый анод 5. Все электроды и испарители смонтированы на фланце насоса. На цилиндрической части насоса расположен патрубок с фланцем 6 для присоединения вспомогательных средств откачки. Насос укомплектовывается блоком питания испарителей, анодов и катодов.

Насос предназначен для откачки газов в диапазоне давлений 10^-6—10^-2 Па (10^-8—10~⁴ мм рт. ст.). Удаление газа из откачиваемого сосуда осуществляется хемосорбцией газа постоянно возобновляемой пленкой титана. Титан непрерывно испаряется из твердой фазы из накаленного прямым пропусканием тока испарителя.

насос очищают от возможных внешних загрязнений. Снимают технологическую заглушку с пристыковочного фланца. Присоединяют насос к откачиваемому сосуду. Через вакуумный клапан с условным проходом 100 мм присоединяют вспомогательные средства откачки, проверяют их работоспособность. Снимают защитный кожух, закрывающий токовводы. С помощью омметра и мегаомметра проверяют сохранность цепей катода, анода и испарителей, отсутствие коротких замыканий и надежность изоляции. Подсоединяют кабели электропитания насоса. Ставится защитный кожух. Вся вакуумная система проверяется на герметичность. Соединяются шланги водяного охлаждения корпуса насоса. Для подачи воды должны использоваться медные трубки или дюри-товые шланги, причем шланги на штуцерных соединениях должны быть обжаты специальными хомутами во избежание срыва шлангов при случайном пуске воды в горячий насос. Производят пробную подачу воды в систему охлаждения с целью проверки отсутствия утечки воды.

Пуск насоса производится в следующей последовательности. Насос откачивают до давления Ы0~³ Па (~1-10~⁵ мм рт. ст.). Сливают воду и продувают систему охлаждения сжатым воздухом. Включают внутренний нагреватель, которым насос прогревается в течение 10 ч. По окончании общего прогрева насоса производят обезгаживание испарителя и катода. После охлаждения корпуса насоса до температуры ниже 100°С в систему охлаждения подается вода. В момент пуска расход воды не должен превышать 50 л/ч. Последнее вызвано тем, что если насос недостаточно остыл, в системе охлаждения может сильно возрасти давление в результате образования большого количества пара. Затем включают испаритель, с этого момента насос начинает откачку. Включают катод. Плавно, в течение 30 мин, напряжение на аноде увеличивают до 1200 В. В дальнейшем насос может производить откачку без вспомогательных средств откачки. Вакуумный клапан, соединяющий насос со вспомогательными средствами откачки, перекрывают. Естественно, если в откачиваемом сосуде присутствует большое количество инертных газов, откачка его вспомогательными средствами откачки не прекращается и клапан оставляют открытым. Выключение насоса производится в обратной последовательности.

В процессе работы насоса для поддержания заданного вакуума интенсивность испарения титана регулируется в зависимости от газо-выделения в откачиваемом сосуде. График быстроты действия насоса ГИН-5 при скорости испарения титана 0,2—1,0 мг/мин представлен на рис. 4-10. Для увеличения быстроты действия в области высоких впускных давлений (10~⁴—10~³ Па) необходимо увеличить скорость испарения титана. Однако при этом следует иметь в виду, что увеличение мощности, более чем в 1,5 раза превышающую номинальную, не всегда в нужных пределах увеличивает эффективную быстроту действия насоса, так как вызывает повышенное газовыделение в результате нагрева насоса, к тому же приводит к перегоранию испарителя.

Сохранить номинальную быстроту действия геттер-но-ионного насоса с прямоканальными испарителями при впускных давлениях 10~² Па (10~⁴ мм рт. ст.) и выше не удается из-за сложности поддержания необходимой скорости испарения титана. Присутствующие в откачиваемом сосуде азот и окись углерода, вступая в реакцию с титаном на поверхности испарителя, затрудняют его испарение. Образующиеся в этом случае в большом количестве соединения азота и углерода с титаном имеют температуру плавления значительно выше температуры плавления других соединений и чистого титана и блокируют испаритель. Для нормальной работы и снижения энергопотребления испарителя пленка

установки и т д. Рекомендуется чистить насос после полного испарения трех-четырех блоков испарителей. Требования техники безопасности при чистке корпуса геттерных и геттерно-ионных насосов одинаковы.

Наиболее частым видом отказа геттерно-ионного насоса является замыкание электродной системы по изоляторам в результате их запыления титаном. Частота отказов выше, если насос в основном работает при высоких впускных давлениях. При каждой чистке корпуса насоса необходимо проверять сопротивление утечки изоляторов. При каждой второй чистке корпуса насоса целесообразно восстанавливать электрическую прочность изоляторов. Механическая очистка изоляторов от запыления, как правило, не дает результата. Изоляторы лучше протравить в плавиковой кислоте. Работая с плавиковой кислотой, необходимо соблюдать требования техники безопасности при работе с агрессивными жидкостями и кислотами.

Другим часто встречающимся видом отказа является обрыв катода или анодов ионизатора В процессе работы при нагреве они становятся хрупкими и от сильного сотрясения могут оборваться. Если это произошло, катод заменяют новым, а анод соединяют втулкой, изображенной на рис. 4-13.

Требования к системе охлаждения геттерно-ионных насосов такие же, как и требования к системе охлаждения паромасляных насосов.