Испарительно-геттерные насосы

В качестве геттера используются пленки титана, циркония и молибдена. Углеводороды, синтезирующиеся при распылении геттера, и инертные газы удаляются вспомогательными средствами откачки (диффузионные и механические насосы). Предельное остаточное давление составляет 10^-6-10^-8 Па при 20 °С и менее 10^-9 Па при охлаждении жидким азотом до -196 °С за счет интенсификации физической сорбции.

Достоинства:

• • для жидкофазных испарителей: не происходит синтеза углеводородов и воды при распылении титана; в несколько раз (по сравнению с твердофазным распылением) выше скорость откачки по водороду, предельное остаточное давление значительно ниже;

• • для катодных (ионных) испарителей: «холодная» электродная система с большим сроком службы (ресурсом);

• • для электродуговых (электроискровых) испарителей: возможность регулировки расхода геттера изменением частоты импульсов напряжения.

Недостатки:

• • для жидкофазных испарителей: конструктивно более сложны, чем твердофазные;

• • для резистивных и электронно-лучевых испарителей: наличие высокотемпературных частей (нагревателей и электродов), ограничивающих давление запуска и ресурс;

• • для катодных (ионных) испарителей: низкий КПД, затрудненный запуск;

• • для электродуговых (электроискровых) испарителей: наличие высокого напряжения, низкий КПД.

Испарительно-геттерные насосы могут быть с электроннолучевым, резистивным, электродуговым, дуговым распылением.

Насосы с электронно-лучевым распылением. Испарение геттера (титан) идет электронным лучом из расплава с непрерывной подачей в зону расплава титановой проволоки диаметром 1,5 мм со скоростью испарения в среднем 5 мг/мин. Схемы насосов представлены на рис. 6.3, 6.4.

Обозначение: СТОН — сверхвысоковакуумный титановый охлаждаемый насос, АВТО-20М — агрегат вакуумный титановый охлаждаемый (агрегат на базе насоса СТОН, укомплектован рамой, диффузионным и форвакуумным насосами).

Характеристики: быстрота откачки насосов по водороду — до 30 м³/с, по азоту — до 10 м³/с, по аргону — до 0,1 м³/с (при рабочем давлении насоса), в зависимости от габаритов; расход жидкого азота до 4 м³/ч, электроэнергии — 1,7 кВт/ч.

Основной производитель: Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С.А. Векшинского (АВТО-20М).

Насосы с резистивным распылением. В насосах этого класса корпус из коррозионно-стойкой стали полый, водоохлаждаемый. Испаритель прямонакальный: молибденовая проволока, покрытая слоем титана или проволока титано-молибденового сплава. Испаритель работает в прерывистом режиме (циклически). Во время цикла испарения жалюзи закрыты, препятствуя попаданию геттера в откачиваемый объем, а во время цикла откачки — открыты (рис. 6.5). Внешний вид насоса SBT 130 показан на рис. 6.6.

Входное давление не должно превышать 10^-3 Па, иначе ресурс испарителя резко снижается, а сам процесс испарения затрудняется ввиду образования пленки оксидов, нитридов и карбидов титана на поверхности испарителя.

Достоинства: возможность регулировки скорости откачки, экономия материала геттера.

Недостатки: зависимость ресурса испарителя от давления запуска.

Основные области применения: откачка водорода в ускорителях заряженных частиц.

Обозначение: НИБ-1(10, 30, 50) — насос испарительный биметаллический; цифра — быстрота откачки по азоту, м³/с, при рабочем давлении.

SBT-250 — сублиматор биметаллический титановый, цифра — быстрота откачки, л/с, при рабочем давлении.

Характеристики: давление запуска не более 10^-2 Па, предельное остаточное давление 5-10^-7 Па при температуре 20 °С и 5-10^-9 Па при температуре -196 °С. Быстрота откачки 1-200 м³/с. Скорость испарения титана 2-10^-3 мг/(с-см²), мощность нагревателя 0,6-2,2 кВт.

Основные производители в России и СНГ: нет данных.

Основные производители за рубежом: фирма RIBER (Франция).

Насосы с электродуговым распылением. Работают в сочетании с диффузионными насосами для откачки инертных газов. Количество испаряемого геттера значительно больше необходимого, но силу испаряющего тока снижать нельзя, так как это приводит к нестабильному горению дуги.

Достоинства: высокая скорость откачки.

Недостатки: испаритель расположен во входном сечении, что заметно снижает быстроту действия и надежность зажигания дуги (устанавливают 3 независимых устройства поджига); повышенный расход геттера, ток разряда ограничен 300 А из-за малой теплопроводности, что ограничивает быстроту откачки.

Основные области применения: откачка водорода в ускорителях заряженных частиц, установках обезводораживания титана.

Обозначение: ВЭД — насос вакуумный электродуговой; АВЭД 2-260 — агрегат вакуумный электродуговой на базе насоса ВЭД, 1-я цифра — быстрота откачки по азоту, м³/с, при рабочем давлении, 2-я цифра — ресурс работы, ч, при непрерывном распылении.

Характеристики: давление запуска не более 10^-2 Па, предельное остаточное давление 5-10^-7 Па при температуре 20 °С и 50-10^-9 при температуре -196° С. Быстрота откачки 1200 м³/с. Скорость испарения титана 2-10^-3 мг/(с-см²), мощность нагревателя 0,6-2,2 кВт.

Основные производители в России и СНГ: нет данных; разработка Харьковского физико-технического института (Украина), 1967 г.

Насосы с дуговым распылением (магнитные электро-разрядные). Разработаны Анатолием Марковичем Гуревичем (Anatole M. Gurewitsch) и Виллемом Вестендорпом (Willem F. Westendorp).

Схема насоса аналогична схеме насоса НИБ: корпус охлаждаемый, теплоизолированный экраном на входе. Насосы промежуточного класса, так как относятся, с одной стороны, к геттерным, а с другой — к магнитным электроразрядным насосам. Не обеспечивают откачку инертных газов, поэтому работают совместно с диффузионными, турбомолекулярными и электроразрядными насосами. Схема насоса представлена на рис. 6.7.

Дуга зажигается плазмой в момент электрического пробоя по поверхности керамического электрода с тонким слоем напыленного геттера. Распыление либо непрерывное, либо периодическое (по программе). Магнитное поле создается постоянными оксидно-бариевыми магнитами с внешней стороны корпуса. Используют принцип распыления геттера газовым разрядом в скрещенных электрическом и магнитном полях (рис. 6.8). На ячеистый анод подается положительный потенциал в несколько киловольт. Число ячеек цилиндрической или

прямоугольной формы (рис. 6.9) составляет от 1 до 100. Система электродов расположена в немагнитном корпусе. Силовые линии магнитного поля перпендикулярны плоскости катодов; источник разряда — эмитируемые с катода электроны, а образующиеся ионы бомбардируют катод, вызывая распыление геттера. Распыляемый материал осаждается на ячейках анода и сорбирует остаточные газы.

Достоинства: хорошо откачивают легкие газы и основные компоненты атмосферы.

Недостатки: испаритель расположен во входном сечении, что заметно снижает быстроту действия и надежность зажигания дуги; повышенный расход геттера.

Основные области применения: для получения высокого и сверхвысокого вакуума в устройствах криогенной техники, имитаторах космических условий; в металлургии для очистки металлов; в напылительной технике; в установках термоядерного синтеза.

Обозначение: НМД-0,16, НМТ, НМДИ, НМДО, НМТО -насос магнитно-дуговой диодный, триодный: О — охлаждаемый, И — с повышенной быстротой действия при откачке инертных газов; цифра — быстрота действия, м³/с, при давлении 5-10^-3 Па, цена 2700-3500 $. Более старая маркировка НЭМ -насос электроразрядный магнитный; НОРД-100 — насос охлаждаемый разрядный диодный; цифра — быстрота действия, л/с; цена 3800 $.

Зарубежные марки магнитных электроразрядных насосов — VacIon Plus [Varian (ЕС), семейство включает версии Diode (титановый катод), NobleDiode (титановый и танталовый катоды, улучшенная откачка инертных газов) и StarCell (триодный с наилучшими параметрами по откачке инертных газов и водорода)].

Характеристики: предельное остаточное давление менее 10^-8 Па. Масса геттера 0,3-4,8 кг; ресурс испарителя 30-300 ч в непрерывном режиме и до 10000 ч в периодическом. Мощность подогрева 0,8-18,0 кВт; масса 7-300 кг. При относительной быстроте действия по аргону, равной 1, быстрота действия по кислороду — 57, по окиси углерода, азоту и парам воды -100, дейтерию — 190 и водороду — 270.

Основные производители в России и СНГ: Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С.А. Векшин-ского (НМД, разработка), ОАО «Вакууммаш» (г. Казань), ООО «Призма» (рис. 6.10, а).

Основные производители за рубежом: Varian (ЕС), RIBER (Франция) (рис. 6.10, б).

Геттерно-ионные насосы. Разработаны Раймондом Гербом (Raymond G. Herb) в 1953 г. Являются насосами промежуточного класса, так как относятся, с одной стороны, к геттер-ным, а с другой — к ионным насосам (рис. 6.11-6.13). Состоят из испарительной (как у испарительно-геттерных насосов) и ионизационной частей. Испарительная система откачивает активные газы, ионизационная — преимущественно инертные. Корпус цилиндрический водоохлаждаемый. Прямонакальные испарители U-образной формы выполняются из титаново-молибденовой биметаллической проволоки диаметром 3 мм, толщина слоя титана ~ 0,5 мм. Количество испарителей — 2, 3 или 6. Ионизационная система состоит из вольфрамового проволочного катода и молибденового цилиндрического сетчатого анода с разностью потенциалов между ними 1,2-1,5 кВ.

Достоинства: не боятся загрязнения маслом, так как оно разлагается на испарителях; имеют постоянную быстроту откачки.

Недостатки: малый запас геттера, невозможность регулировки скорости испарения; наличие высокотемпературных элементов; сложность конструкции; сильное изменение состава остаточной атмосферы; возможность использования только в системах с низким натеканием.

Основные области применения: для получения высокого и сверхвысокого вакуума.

Обозначение: СИН, ГИН 0,5М — сорбционный (геттерный) ионный насос, цифра — быстрота действия по азоту, м³/с, при рабочем давлении.

ОГИН — орбитронный геттерно-ионный насос (в нем роль сетки выполняет корпус, а анод и корпус образуют конденсатор).

СОН-А-1 — сорбционный орбитронный насос, НГ-0,1-1 -насос геттерный (мини-насос с редкоземельным геттером — эрбием или гадолинием).

PEG-1000S (RIBER) — pump electro — getter, 1000 л/с.

Характеристики: масса геттера 6-100 кг; ресурс испарителя 1500-3000 ч; масса насоса 36-216 кг; мощность нагревателя 0,85-3,5 кВт.

Основные производители в России и СНГ: ОАО «Вакуум-маш» (г. Казань), Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С. А. Векшинского (СИН, ГИН, разработка).

Основные производители за рубежом: RIBER (Франция).

Комбинированные электрофизические насосы. Совокупность нескольких электрофизических средств откачки, конструктивно размещенных в одном корпусе.

Достоинства: быстрота действия комбинированных насосов значительно выше суммарной быстроты действия компонентов; агрегат АСВМГ работает во всем диапазоне входных давлений от 10⁵ до 10^-8 Па.

Недостатки: значительно усложняется конструкция.

Основные области применения: получение высокого и сверхвысокого безмасляного вакуума в электровакуумных приборах, камерах для имитации условий космического пространства, в производстве изделий электронной техники, в экспериментальных установках для научных исследований, в электронной, радиотехнической, металлургической и химической, а также в других отраслях промышленности.

Обозначение: ЭГИН 1/0,1 (рис. 6.14, а, б) — электроразряд-ный геттерно-ионный насос на базе насосов ГИН и НМД, цифра — быстрота действия каждой из составляющих по воздуху, м³/с, при рабочем давлении.

АСВМГ-160 (рис. 6.14, в) — агрегат сверхвысоковакуумный магниторазрядный геттерный; комбинация безмасляного форвакуумного, магниторазрядного, титанового испарительно-геттерного и криогенного (на жидком азоте) насосов.

НВГМ-5-2 — насос вакуумный геттерный + магниторазрядный, первая цифра — быстрота откачки по воздуху, вторая -по аргону при рабочем давлении.

ПВИГ-250/630/9-019 — пост вакуумный ионно-геттерный, первая цифра — быстрота действия по азоту магниторазрядного блока, вторая — по азоту полная, третья — номер серии.

Характеристики: ЭГИН: рабочее давление 10^-4-10^-5 Па, потребляемая мощность 0,5-15,0 кВт, масса 100-1800 кг; АСВМГ: рабочее давление — начиная с атмосферного. Предельное остаточное давление у всех 10^-8 Па.

Основные производители в России и СНГ: ОАО «Вакуум-маш» (г. Казань) — ЭГИН, АСВМГ; ООО «Призма» — ПВИГ.