Ионно-сорбционные насосы

Ионно-сорбционные насосы

Испарительные насосы малоэффективны при откачке инертных газов и для получения низких предельных остаточных давлений (< 10^-4 Па) необходимо применение дополнительных насосов. В то же время при возбуждении и ионизации откачиваемых газов, поглощение их титановой пленкой идет более интенсивно, причем благодаря ионизации откачиваются и инертные газы. Таким образом, в современных насосах совмещены ионные и хемосорбционные методы откачки.

При ионно-сорбционной откачке используют два способа поглощения газа:

• — внедрение ионов в объем твердого тела под действием электрического поля;

• — химическое взаимодействие откачиваемых газов с тонкими пленками активных металлов.

Высокоэнергетические ионы, бомбардируя твердое тело, проникают в него на глубину, достаточную для их растворения. Этот способ удаления газа является разновидностью ионной откачки.

За счет внедрения ионов в твердое тело обычно удаляются химически неактивные газы. В качестве пластины для распыления обычно применяют титан. Распыленный титан конденсируется в виде пленок на специальных электродах. На пленках титана хемосорбирует большинство газов из остаточной атмосферы рабочего объема.

Существует два типа ионно-сорбционных насосов: насосы с горячим катодом (термокатодом), в которых титан испаряется за счет бомбардировки, и насосы с холодными электродами, в которых используется явление катодного распыления титана (электроразрядные).

Схема ионно-сорбционного насоса с горячим катодом приведена на рисунке 13.

Насос состоит из термокатода 1, сетчатого анода 2 и корпуса насоса 3 с охлаждением 4. Титановая проволока 5 подается вдоль системы с катушки 6. Такой насос представляет собой своего рода цилиндрический триод, в котором анод имеет положительный потенциал около 1000 В, катод — потенциал около +100 В, а корпус насоса заземляется.

При прохождении электрического тока, термокатод нагревается и эмитирует электроны. Электроны бомбардируют проволоку из титана, которая испаряется. Частицы титана конденсируется на сетке и на охлаждаемых стенках корпуса насоса. Титан активно поглощает химически активные газы (О₂, N₂, CO, СО₂ и др.) в парообразном состоянии и пленками. Электроны из катода ионизируют газы, в том числе и инертные, и образовавшиеся положительные ионы под действием электрического поля движутся к коллектору (корпус насоса), имеющему отрицательный потенциал, и внедряются в его поверхность. Таким образом, газы связываются химически и физически на поверхности и в глубине материала, а также замуровываются непрерывно оседающими парами титана.

Скорость откачки насоса пропорциональна расходу поглотителя в единицу времени. Например, при испарении титана со скоростью 5 мг/с скорости откачки различных газов будут следующими: по водороду — 3 м³/с; азоту — 2 м³/с; двууглекислому газу — 1 м³/с; воздуху — 0,6 м³/с; аргону — 0,005 м³/с при давлении в объеме порядка 10 Па.

Предварительное разрежение для ионно-сорбционных насосов с накаливаемыми катодами (т.е. давление, при котором насос начинает устойчиво работать) должно быть не больше 10 ^-2 Па, а предельное давление достигает 10 ^-6 Па.

Недостатком данных насосов являются: малый срок службы термокатода, селективность откачки.

Электроразрядные насосы с холодными электродами представлены конструкцией магниторазрядного насоса.

В отличие от ионно-сорбционных насосов с горячим катодом в магниторазрядных насосах для получения активных пленок титана используется газовый разряд в магнитном поле. Из-за этого в магниторазрядных насосах устранен такой существенный недостаток, присущий насосам с термокатодом, как наличие накаленных элементов электродной системы. Кроме того, распыление титана с помощью газового разряда позволяет осуществить авторегулирование скорости распыления и резко увеличить срок службы насоса.

Далее рассмотрим конструкцию магниторазрядного насоса с титановыми катодами (рис. 14).

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, которые всегда есть в разрядном промежутке. 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 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. Образуются термически устойчивые химические соединения (нитриды, оксиды и карбиды титана). Поглощение этих газов в насосе носит необратимый характер.

Наряду с этим в магниторазрядных насосах имеет место проникновение ионов в материал катода.

Откачка тяжелых инертных газов преимущественно осуществляется за счет внедрения ионов в материал катода. Такой механизм, хотя и не создает достаточно хорошей быстроты действия, является основным при откачке инертных газов магниторазрядным насосом.

Многоатомные газы, пары воды, углеводороды и другие сложные молекулы диссоциируют в разряде на более простые компоненты, которые в свою очередь ионизируются и откачиваются насосом.

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

Предельное давление магниторазрядных насосов 1О^-8-10^-10 Па. Верхний предел рабочих давлений определяется газовыделением из-за перегрева электродов насоса. При давлении более 10^-3 Па длительная работа насоса возможна лишь при дополнительном охлаждении его электродов. Кратковременная работа насоса при его запуске возможна от давления 1 Па.

Наличие загрязнений на электродах насоса, особенно органических, уменьшает быстроту действия насоса и ухудшает предельное давление, поэтому предварительная откачка этих насосов должна обеспечиваться безмасляными средствами откачки.

Большим достоинством ионно-сорбционных насосов является отсутствие рабочей жидкости, что позволяет с помощью них получать безмасляный вакуум в откачиваемом объеме.